一種陶瓷材料表面-亞表面損傷表征方法及其在磨削損傷檢測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、陶瓷材料具有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、石油化工、電力、冶金、機(jī)械及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。磨削是目前陶瓷材料普遍應(yīng)用的加工方法，特別是精密和超精密磨削加工。磨削加工過(guò)程是一個(gè)材料的損傷過(guò)程，磨料通過(guò)對(duì)被加工材料的有限度損傷而實(shí)現(xiàn)加工。由于陶瓷是一種典型的脆性材料，硬度高、耐磨而且韌性低，使得其磨削加工性極差，極易產(chǎn)生表面/亞表面磨削損傷，從而大大降低陶瓷材料零件的壽命，甚至直接導(dǎo)致零件的報(bào)廢。因此，對(duì)工程陶瓷磨削損傷

2、進(jìn)行全面深入研究和了解是非常重要的。 目前，對(duì)于陶瓷材料的磨削損傷問(wèn)題主要從實(shí)驗(yàn)和理論研究、數(shù)值模擬等三個(gè)方面研究其損傷問(wèn)題，分別從損傷的各種表現(xiàn)形式如微裂紋、殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行研究。本文基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和納米壓痕/劃痕測(cè)試技術(shù)，提出了一種彈性模量退化型陶瓷材料表面/亞表面損傷表征方法，根據(jù)球錐形壓頭下的納米壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)得到微納尺度壓痕局部區(qū)域的彈脆性損傷本構(gòu)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了壓痕過(guò)程的有限元模擬，并采用納米劃痕試

3、驗(yàn)來(lái)模擬單顆磨粒的磨削過(guò)程，研究其損傷的演化，研究成果將為陶瓷材料精密磨削理論的完善奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本文的主要工作和成果如下： 1.結(jié)合Kachanov經(jīng)典的連續(xù)損傷力學(xué)理論，定義彈性模量退化型損傷變量來(lái)綜合描述材料因各種損傷形式而造成的性能劣化，并實(shí)現(xiàn)了基于納米壓痕測(cè)試的表征材料表面/亞表面損傷的簡(jiǎn)單可測(cè)的方法。 2.采用上述的損傷變量定義，結(jié)合陶瓷材料的彈性損傷特征，以氧化鋁陶瓷材料為例，采用球錐形壓頭進(jìn)行納米壓

4、痕測(cè)試，得到了氧化鋁陶瓷的彈脆性損傷本構(gòu)關(guān)系，并分別進(jìn)行了球錐形壓頭和玻氏壓頭壓痕損傷的有限元模擬，證實(shí)了該本構(gòu)關(guān)系具有一定的正確性。 3.以氧化鋁陶瓷材料為例，采用納米劃痕測(cè)試方法，通過(guò)控制劃痕載荷和壓頭形狀，模擬研究了磨削參數(shù)（包括磨削用量、砂輪特性等）對(duì)磨削后表面／亞表面損傷等的影響規(guī)律，結(jié)合磨削后劃痕周?chē)嗤d荷下距劃痕中心不同距離處，或者不同載荷下同一距離處測(cè)試點(diǎn)的壓痕試驗(yàn)，以及表面原位掃描和SEM形貌觀測(cè)，探討將該損

5、傷表征方法用于測(cè)量陶瓷磨削損傷的可能性。 4.本文基于連續(xù)損傷力學(xué)和納米壓痕／劃痕測(cè)試技術(shù)對(duì)陶瓷材料彈脆性損傷本構(gòu)關(guān)系和磨削損傷表征測(cè)量方法進(jìn)行研究。研究中借鑒了國(guó)內(nèi)外在工程陶瓷磨削損傷、連續(xù)損傷力學(xué)、微納米測(cè)試技術(shù)、磨削過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等方面已取得的相關(guān)研究成果，同時(shí)混凝土、巖石等脆性材料損傷機(jī)理、本構(gòu)模型的研究成果也為本文的研究提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，還可以深入開(kāi)展將本文提出的表面/亞表面損傷表征測(cè)量方法應(yīng)用于其它材料