基于非局部理論的超聲振動磨削納米復相陶瓷損傷機理研究.pdf

1、難加工材料（如陶瓷、鈦合金等）的可加工性差，加工效率低，限制了它們在工業(yè)中的應用。大量的研究已經證明，超聲振動磨削加工具有較高的材料去除率、較小的磨削力，較低的表面損傷和較高的加工精度，迄今為止，而對這種加工方法所產生這些優(yōu)點的本質機理研究的還不夠深入。本文基于非局部理論，著重探索了超聲波與ZTA納米復相陶瓷材料的微觀作用機理，從材料本構特性、宏觀力學特性和微觀形貌等方面研究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生的延性

2、高效現象的理論本質，為進一步完善超聲加工的理論奠定基礎。
　　本研究主要內容包括：⑴考慮ZTA陶瓷的內稟長度和外部超聲波波長之間的相互作用關系，通過引入非局部理論，建立超聲振動下的非局部本構模型。通過分析超聲縱波和橫波在陶瓷材料的波頻散特性，得出波速和頻率的關系，解釋了波速的衰減現象，根據波速的計算公式，分別獲得縱向波和橫向波標準化非局部模量(非局部模量與經典模量的比值)隨頻率以及影響域的變化規(guī)律。為了研究納米復相陶瓷超聲作用下的

3、非局部磨削應力特性，以ZTA納米復相陶瓷為加工對象，提出一種新型的二維超聲振動磨削技術，基于超聲振動理論和壓痕斷裂力學，給出了新型二維磨削下材料去除率模型和磨削力模型?；谠撃ハ髁δＰ停ㄟ^核函數建立宏-微觀聯系，建立陶瓷材料超聲激勵裂紋尖端的非局部彈性解析應力場，發(fā)現發(fā)生在裂紋尖端的最大應力是有限的，該結論從理論上消除了物理上不現實的裂紋尖端應力奇異性，顯示了裂紋尖端應力場的本來面目。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

4、。⑵為研究超聲主要參數（頻率、振幅等）與陶瓷磨削時的非局部應力之間的關系，建立了超聲振動拉伸和超聲振動三點彎曲試驗裝置，基于波動理論，完成了具有復雜曲線的復合多段式變幅桿設計，對研究超聲參數（頻率和振幅）對陶瓷的作用機理提供理論很大的幫助，同時，基于波動理論和非局部理論完成了三點彎曲試樣和拉伸試樣的設計。⑶通過超聲激勵三點彎曲和軸向拉伸試驗，研究了超聲振動下材料的斷裂行為，分析了ZTA納米復相陶瓷材料在超聲振動條件下裂紋形成及擴展方式，

5、得出不同超聲參數下非局部彈性核函數與長程作用域的關系是斷裂應力隨著振幅和頻率的增加而減小。通過對三點彎曲和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，說明ZTA陶瓷發(fā)生了穿晶/沿晶混合斷裂。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，對試件拉伸斷口物相分析，發(fā)現超聲激勵作用在很大程度上改善了陶瓷材料的力學性能，ZrO2在應力誘導下發(fā)生t→m相變從而吸收應變能，有較好的