基于非局部理论的纳米复相陶瓷材料超声磨削机理研究

【摘要】： 纳米复相陶瓷有广泛的应用前景,但对微观缺陷敏感、加工成本高等缺陷限制了其在高新技术中的应用。目前陶瓷材料加工的发展趋势为复合加工,其中超声磨削是一种有效的加工手段。 为了更加深入的研究超声磨削纳米复相陶瓷材料机理,基于非局部弹塑性理论,考虑复相陶瓷材料微观粒子的长程相互作用,选取了相应的二维弹性核函数,建立了超声下的非局部本构模型。进行了在超声振动下的ZTA纳米复相陶瓷断裂模拟试验,考察了具有预制裂纹的ZTA纳米复相陶瓷材料在普通与超声振动下的疲劳寿命及裂纹拓展模式。试验结果表明:施加超声振动下循环应力约为普通循环应力的80%;ZTA试件的断裂模式由普通时的沿晶断裂变为沿晶—穿晶混合模式,超声激励使试件微观结构改变、韧性增强。试验揭示了高频超声对材料宏观力学及微观结构的作用规律,进一步证明超声振动有利于陶瓷材料的高效延性去除。 以压痕断裂力学、超声振动理论为基础分析了超声磨削中单颗磨粒运动轨迹特征及复相陶瓷材料延性去除机理,建立了超声振动磨削下磨削力及表面粗糙度的理论公式。研究了磨削深度、超声频率及功率对磨削力、磨削力比及表面质量的影响。结果表明:相同参数下,超声磨削法向力仅为普通时的65%—85%,通过SEM分析ZTA纳米复相陶瓷材料在不同磨削方式下的表面形貌发现超声磨削临界磨削深度约为普通磨削临界磨削深度的2-3倍,且随着频率增大,这种趋势更加明显。超声波外部特征尺度与内部特征尺度之比是影响磨削力衰减的重要因素。通过考察非局部本构模型,从微观角度并结合宏观力学分析了造成差异的原因。