超聲激勵納米復(fù)相陶瓷非局部本構(gòu)關(guān)系及延性域磨削機理研究.pdf

1、超聲加工陶瓷材料的去除過程伴隨著各種行為效應(yīng)如力學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、電磁效應(yīng)和熱學(xué)效應(yīng)等,使得問題的研究由單一領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為多學(xué)科、多領(lǐng)域、宏微觀結(jié)構(gòu)交織在一起。此時為了解釋加工性能改善的現(xiàn)象,本文基于非局部理論,著重于探索超聲波與ZTA納米復(fù)相陶瓷材料的微觀作用機理,從材料本構(gòu)特性、宏觀力學(xué)特性和磨削表面微觀形貌等方面闡述了超聲激勵對納米陶瓷加工特性的影響,揭示超聲加工時所產(chǎn)生的延性高效現(xiàn)象的理論本質(zhì),為進(jìn)一步完善超聲加工的理論奠定基礎(chǔ)。本

2、文主要研究內(nèi)容如下:
　　基于脆性材料斷裂的非局部力學(xué)理論,考慮超聲激勵參量的影響因素建立非局部彈性核參量和彈性核函數(shù)公式,推導(dǎo)含有超聲激勵影響因素的非局部本構(gòu)模型。討論了超聲振動振幅和頻率對核函數(shù)的影響,基本上呈現(xiàn)下開口拋物線性形狀,在臨界振幅和臨界頻率以前它們對核函數(shù)的影響呈遞增趨勢,在臨界值附近時影響最為明顯,非局部效應(yīng)最強烈,此后振幅和頻率對核函數(shù)的影響呈衰減現(xiàn)象。通過核函數(shù)建立宏-微觀聯(lián)系,建立了陶瓷材料超聲激勵裂紋尖端

3、的非局部彈性解析應(yīng)力場,發(fā)現(xiàn)發(fā)生在裂紋尖端的最大應(yīng)力是有限的,理論上消除了物理上不現(xiàn)實的裂紋尖端應(yīng)力奇異性,顯示了裂紋尖端應(yīng)力場的本來面目。為超聲振動加工延性去除機理的研究提供理論保證和指導(dǎo)。
　　通過超聲激勵軸向拉伸試驗,考慮不同超聲參數(shù)下非局部彈性核函數(shù)與長程作用域的關(guān)系,得出斷裂應(yīng)力隨著振幅和頻率的增加先減小后增加,呈上開口拋物線性形狀,在臨界振幅(30kHz,15.3218μm)和臨界頻率(75W,35kHz)附近時,衰減

4、率最小,非局部效應(yīng)也最強烈。通過拉伸強度試驗結(jié)果,對非局部核參量的影響參數(shù)進(jìn)行擬合,求出了頻率的影響系數(shù)為1.2,從而獲得了超聲激勵下的非局部彈性核函數(shù)和非局部本構(gòu)模型。通過對試件拉伸斷口物相分析,說明超聲激勵作用在很大程度上改善了陶瓷材料的力學(xué)性能,ZrO2在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生t?m相變從而吸收應(yīng)變,有較好的塑性力學(xué)性能。對拉伸斷口的電鏡觀察表明,超聲拉伸下的斷口有明顯的晶粒斷面,在大量的晶粒上有裂紋出現(xiàn),說明ZTA陶瓷發(fā)生了穿晶/沿晶混

5、合斷裂。隨著超聲激勵振幅和頻率的增大,斷口的空隙逐漸增多,平整度也得到很大的改善,在(30kHz,15.3218μm)和(75W,35kHz)附近時,斷面最為齊整,在試驗上驗證了非局部衰減率的理論變化規(guī)律并對超聲振動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　　基于非局部彈性理論和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則推得了裂紋平面應(yīng)變斷裂韌性的理論公式,從微觀力學(xué)機理上反映陶瓷材料斷裂的解理機制。通過超聲激勵下的顯微硬度和斷裂韌性測試試驗,發(fā)現(xiàn)超聲下的材料硬度值約為普通無超聲下

6、材料硬度值的70.4％~58.7%,而普通情況下的斷裂韌性K IC值約為超聲振動下斷裂韌性K IC值的68.7%~85.1%。通過試驗結(jié)果,分析了不同超聲頻率下臨界切削深度的變化規(guī)律,研究了超聲振動對材料去除性能的影響。并通過磨削力試驗及表面微觀形貌觀察,發(fā)現(xiàn)在試驗所用的精密平面磨床上,普通磨削ZTA納米復(fù)相陶瓷的延性域磨削深度約為2μm,超聲磨削塑性去除臨界磨深在20kHz下約為4μm,30kHz下約為8μm,在35kHz下約為12μ

7、m,40kHz下的塑性去除臨界磨深約為10μm,試驗結(jié)果和理論推導(dǎo)一致。
　　依據(jù)非局部能量平衡理論和內(nèi)聚力理論,推導(dǎo)出了物理意義更加明確的超聲激勵斷裂表面能和動態(tài)裂紋擴(kuò)展速度公式。通過超聲激勵作用下裂紋尖端處的TEM和SEM照片,從“能量角度”和“微觀測試”探討了超聲延性域加工的本質(zhì),分析了超聲激勵對裂紋擴(kuò)展的微觀作用機制:發(fā)現(xiàn)超聲激勵造成主裂紋周圍產(chǎn)生位錯云、微裂紋云、裂紋分叉或者偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象,形成能量吸收機制,裂紋擴(kuò)展速度降低