基于非局部理論的超聲振動(dòng)磨削納米復(fù)相陶瓷損傷機(jī)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?cè)诠I(yè)中的應(yīng)用。大量的研究已經(jīng)證明，超聲振動(dòng)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(duì)這種加工方法所產(chǎn)生這些優(yōu)點(diǎn)的本質(zhì)機(jī)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(fù)相陶瓷材料的微觀作用機(jī)理，從材料本構(gòu)特性、宏觀力學(xué)特性和微觀形貌等方面研究了超聲激勵(lì)對(duì)納米陶瓷加工特性的影響，揭示超聲加工時(shí)所產(chǎn)生的延性

2、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)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴考慮ZTA陶瓷的內(nèi)稟長(zhǎng)度和外部超聲波波長(zhǎng)之間的相互作用關(guān)系，通過引入非局部理論，建立超聲振動(dòng)下的非局部本構(gòu)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(guān)系，解釋了波速的衰減現(xiàn)象，根據(jù)波速的計(jì)算公式，分別獲得縱向波和橫向波標(biāo)準(zhǔn)化非局部模量(非局部模量與經(jīng)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(fù)相陶瓷超聲作用下的

3、非局部磨削應(yīng)力特性，以ZTA納米復(fù)相陶瓷為加工對(duì)象，提出一種新型的二維超聲振動(dòng)磨削技術(shù)，基于超聲振動(dòng)理論和壓痕斷裂力學(xué)，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?，通過核函數(shù)建立宏-微觀聯(lián)系，建立陶瓷材料超聲激勵(lì)裂紋尖端的非局部彈性解析應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生在裂紋尖端的最大應(yīng)力是有限的，該結(jié)論從理論上消除了物理上不現(xiàn)實(shí)的裂紋尖端應(yīng)力奇異性，顯示了裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的本來面目。為超聲振動(dòng)加工延性去除機(jī)理的研究提供理論保證和指導(dǎo)

4、。⑵為研究超聲主要參數(shù)（頻率、振幅等）與陶瓷磨削時(shí)的非局部應(yīng)力之間的關(guān)系，建立了超聲振動(dòng)拉伸和超聲振動(dòng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，基于波動(dòng)理論，完成了具有復(fù)雜曲線的復(fù)合多段式變幅桿設(shè)計(jì)，對(duì)研究超聲參數(shù)（頻率和振幅）對(duì)陶瓷的作用機(jī)理提供理論很大的幫助，同時(shí)，基于波動(dòng)理論和非局部理論完成了三點(diǎn)彎曲試樣和拉伸試樣的設(shè)計(jì)。⑶通過超聲激勵(lì)三點(diǎn)彎曲和軸向拉伸試驗(yàn)，研究了超聲振動(dòng)下材料的斷裂行為，分析了ZTA納米復(fù)相陶瓷材料在超聲振動(dòng)條件下裂紋形成及擴(kuò)展方式，

5、得出不同超聲參數(shù)下非局部彈性核函數(shù)與長(zhǎng)程作用域的關(guān)系是斷裂應(yīng)力隨著振幅和頻率的增加而減小。通過對(duì)三點(diǎn)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(xiàn)，說明ZTA陶瓷發(fā)生了穿晶/沿晶混合斷裂。隨著超聲激勵(lì)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(duì)試件拉伸斷口物相分析，發(fā)現(xiàn)超聲激勵(lì)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)變能，有較好的