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超声激励纳米复相陶瓷非局部本构关系及延性域磨削机理研究

卞平艳  
【摘要】:超声加工陶瓷材料的去除过程伴随着各种行为效应如力学效应、化学效应、电磁效应和热学效应等,使得问题的研究由单一领域转化为多学科、多领域、宏微观结构交织在一起。此时为了解释加工性能改善的现象,本文基于非局部理论,着重于探索超声波与ZTA纳米复相陶瓷材料的微观作用机理,从材料本构特性、宏观力学特性和磨削表面微观形貌等方面阐述了超声激励对纳米陶瓷加工特性的影响,揭示超声加工时所产生的延性高效现象的理论本质,为进一步完善超声加工的理论奠定基础。本文主要研究内容如下: 基于脆性材料断裂的非局部力学理论,考虑超声激励参量的影响因素建立非局部弹性核参量和弹性核函数公式,推导含有超声激励影响因素的非局部本构模型。讨论了超声振动振幅和频率对核函数的影响,基本上呈现下开口抛物线性形状,在临界振幅和临界频率以前它们对核函数的影响呈递增趋势,在临界值附近时影响最为明显,非局部效应最强烈,此后振幅和频率对核函数的影响呈衰减现象。通过核函数建立宏-微观联系,建立了陶瓷材料超声激励裂纹尖端的非局部弹性解析应力场,发现发生在裂纹尖端的最大应力是有限的,理论上消除了物理上不现实的裂纹尖端应力奇异性,显示了裂纹尖端应力场的本来面目。为超声振动加工延性去除机理的研究提供理论保证和指导。 通过超声激励轴向拉伸试验,考虑不同超声参数下非局部弹性核函数与长程作用域的关系,得出断裂应力随着振幅和频率的增加先减小后增加,呈上开口抛物线性形状,在临界振幅(30kHz,15.3218μm)和临界频率(75W,35kHz)附近时,衰减率最小,非局部效应也最强烈。通过拉伸强度试验结果,对非局部核参量的影响参数进行拟合,求出了频率的影响系数为1.2,从而获得了超声激励下的非局部弹性核函数和非局部本构模型。通过对试件拉伸断口物相分析,说明超声激励作用在很大程度上改善了陶瓷材料的力学性能,ZrO2在应力诱导下发生t→m相变从而吸收应变,有较好的塑性力学性能。对拉伸断口的电镜观察表明,超声拉伸下的断口有明显的晶粒断面,在大量的晶粒上有裂纹出现,说明ZTA陶瓷发生了穿晶/沿晶混合断裂。随着超声激励振幅和频率的增大,断口的空隙逐渐增多,平整度也得到很大的改善,在(30kHz,15.3218μm)和(75W,35kHz)附近时,断面最为齐整,在试验上验证了非局部衰减率的理论变化规律并对超声振动参数进行优化。 基于非局部弹性理论和最大拉应力准则推得了裂纹平面应变断裂韧性的理论公式,从微观力学机理上反映陶瓷材料断裂的解理机制。通过超声激励下的显微硬度和断裂韧性测试试验,发现超声下的材料硬度值约为普通无超声下材料硬度值的70.4%~58.7%,而普通情况下的断裂韧性K IC值约为超声振动下断裂韧性KIC值的68.7%~85.1%。通过试验结果,分析了不同超声频率下临界切削深度的变化规律,研究了超声振动对材料去除性能的影响。并通过磨削力试验及表面微观形貌观察,发现在试验所用的精密平面磨床上,普通磨削ZTA纳米复相陶瓷的延性域磨削深度约为2μm,超声磨削塑性去除临界磨深在20kHz下约为4μm,30kHz下约为8μm,在35kHz下约为12μm,40kHz下的塑性去除临界磨深约为10μm,试验结果和理论推导一致。 依据非局部能量平衡理论和内聚力理论,推导出了物理意义更加明确的超声激励断裂表面能和动态裂纹扩展速度公式。通过超声激励作用下裂纹尖端处的TEM和SEM照片,从“能量角度”和“微观测试”探讨了超声延性域加工的本质,分析了超声激励对裂纹扩展的微观作用机制:发现超声激励造成主裂纹周围产生位错云、微裂纹云、裂纹分叉或者偏转等现象,形成能量吸收机制,裂纹扩展速度降低,材料的表观断裂表面能增大。这种机制通过在裂纹尖端形成对外加超声载荷的屏蔽作用而对裂纹扩展驱动力产生显著影响,从而起到了扩大延性域的作用。并通过应力强度因子、机械能释放率和断裂表面能把非局部本构模型和超声激励裂纹屏蔽效应联系起来。 研究表明非局部本构模型对于超声振动加工陶瓷硬脆材料力学特征的适用性,符合其显著增加延性域切削深度的现象。超声磨削对硬脆材料而言是一种有效的加工方法,扩大了材料塑性域去除的范围,提高了材料的韧性。


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