【摘要】：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(yīng)用。大量的研究已經(jīng)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(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)。本文主要研究內(nèi)容如下:考慮ZTA陶瓷的內(nèi)稟長度和外部超聲波波長之間的相互作用關(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非局部磨削應(yīng)力特性,以ZTA納米復(fù)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(shù),基于超聲振動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。基于該磨削力模型,通過核函數(shù)建立宏-微觀聯(lián)系,建立陶瓷材料超聲激勵裂紋尖端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,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)力場的本來面目。為超聲振動加工延性去除機(jī)理的研究提供理論保證和指導(dǎo)。為研究超聲主要參數(shù)(頻率、振幅等)與陶瓷磨削時的非局部應(yīng)力之間的關(guān)系,建立了超聲振動拉伸和超聲振動三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置,基于波動理論,完成了具有復(fù)雜曲線的復(fù)合多段式變幅桿設(shè)計(jì),對研究超聲參數(shù)(頻率和振幅)對陶瓷的作用機(jī)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(diǎn)彎曲試樣和拉伸試樣的設(shè)計(jì)。通過超聲激勵三點(diǎn)彎曲和軸向拉伸試驗(yàn),研究了超聲振動下材料的斷裂行為,分析了ZTA納米復(fù)相陶瓷材料在超聲振動條件下裂紋形成及擴(kuò)展方式,得出不同超聲參數(shù)下非局部彈性核函數(shù)與長程作用域的關(guān)系是斷裂應(yīng)力隨著振幅和頻率的增加而減小。通過對三點(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(xiàn)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)變能,有較好的塑性力學(xué)性能,不僅從理論上而且在試驗(yàn)上均驗(yàn)證了非局部衰減率的理論變化規(guī)律。通過二維超聲輔助磨削方式進(jìn)行了磨削試驗(yàn),基于非局部彈性理論和沖擊斷裂力學(xué),從二維超聲輔助磨削技術(shù)的加工特性進(jìn)行解釋,分析了二維超聲振動參數(shù)及磨削加工參數(shù)對磨削力的影響規(guī)律。借助于掃描電鏡,研究了ZTA納米復(fù)相陶瓷二維超聲輔助磨削表面/亞表面損傷特征,并用非局部理論做了對比驗(yàn)證,指出二維超聲輔助磨削對獲得具有較好微觀特性的ZTA陶瓷磨削表面十分有益。研究表明非局部本構(gòu)模型對于超聲振動加工陶瓷硬脆材料力學(xué)特征的適用性,符合其顯著增加延性域切削深度的現(xiàn)象。
[Abstract]:The poor machinability and low machining efficiency of difficult-to-machine materials (such as ceramics, titanium alloys, etc.) limit their application in industry. A large number of studies have proved that ultrasonic vibration grinding has higher material removal rate, lower grinding force, lower surface damage and higher machining accuracy, and so far, this processing method has been used. Based on the non-local theory, the micro-mechanism of ultrasonic and ZTA nano-composite ceramics is explored in this paper. The influence of ultrasonic excitation on the machining characteristics of nano-ceramic is studied from the aspects of constitutive properties, macro-mechanical properties and micro-morphology. The main contents of this paper are as follows: Considering the interaction between the intrinsic length of ZTA ceramics and the external ultrasonic wavelength, a non-local constitutive model under ultrasonic vibration is established by introducing the non-local theory. The dispersion characteristics of ultrasonic P-wave and S-wave in ceramic materials are analyzed. The relationship between wave velocity and frequency is obtained. The attenuation phenomenon of wave velocity is explained. According to the calculation formula of wave velocity, the variation of normalized non-local modulus (the ratio of non-local modulus to classical modulus) of longitudinal wave and transverse wave with frequency and influence region is obtained. In this paper, the non-local grinding stress characteristics of nano-composite ceramics under ultrasonic loading are studied. A new two-dimensional ultrasonic vibration grinding technology is proposed for ZTA nano-composite ceramics. Based on ultrasonic vibration theory and indentation fracture mechanics, a new material removal rate model and grinding force model under two-dimensional grinding are presented. The non-local elastic analytical stress field at the crack tip excited by ultrasonic wave in ceramic materials is established by establishing the macro-micro relationship with the kernel function. It is found that the maximum stress at the crack tip is finite. The conclusion theoretically eliminates the physical unrealistic stress singularity at the crack tip and shows the true nature of the stress field at the crack tip. In order to study the relationship between the main ultrasonic parameters (frequency, amplitude, etc.) and the non-local stresses in ceramic grinding, a three-point bending test apparatus for ultrasonic vibration stretching and ultrasonic vibration was established. Based on the wave theory, the complex multi-section curves with complex curves were completed. The design of H-type horn is of great help to the study of the mechanism of ultrasonic parameters (frequency and amplitude) acting on ceramics. At the same time, the design of three-point bending specimen and tensile specimen is completed based on wave theory and non-local theory. In order to analyze the mode of crack formation and propagation of ZTA nanocomposite ceramics under ultrasonic vibration, it is concluded that the relationship between non-local elastic kernel function and long-range region under different ultrasonic parameters is that the fracture stress decreases with the increase of amplitude and frequency. The fracture surface of ZTA ceramics has obvious grain cross section and cracks appear in a large number of grains, indicating that transgranular/intergranular mixed fracture occurred in ZTA ceramics. ZrO2 can absorb strain energy by t_m phase transformation under stress induction, and has better plastic mechanical properties. The theoretical variation of non-local attenuation rate is verified not only theoretically but also experimentally. Grinding experiments are carried out by two-dimensional ultrasonic assisted grinding method based on non-local elasticity. The influence of two-dimensional ultrasonic vibration parameters and grinding parameters on grinding force is analyzed. The surface/subsurface damage characteristics of two-dimensional ultrasonic-assisted grinding of ZTA nanocomposite ceramics are studied by means of scanning electron microscopy and non-local theory. It is pointed out that two-dimensional ultrasonic-assisted grinding is very useful for obtaining ZTA ceramics grinding surfaces with good micro-characteristics. The results show that the non-local constitutive model is applicable to the mechanical characteristics of ultrasonic vibration machining of hard and brittle ceramics, which is in line with the phenomenon that the cutting depth in ductile domain is significantly increased.
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ174.6

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本文編號：2196388