磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

陶瓷材料磨削裂纹成因分析

应用陶瓷微观结构和磨削表面热应力的有关知识结合压痕断裂力学和损伤力学；根据几种典型结构陶瓷材料的SEM观察结果，分析了结构陶瓷磨削裂纹的产生过程、形成机理。     

陶瓷磨削机理及其对表面/亚表面损伤的影响

磨削加工是先进陶瓷材料的最常用的加工方法，但常引起被加工零件的表面／亚表面损伤。不同的材料去除方式对表面／亚表面损伤有着显著的影响。若要准确预测和有效控制磨削过程对陶瓷材料造成的表面／亚表面损伤，就必须首先了解陶瓷磨削的材料去除机理及其与材料表面／亚表面损伤之问的关系。在陶瓷材料磨削机理的研究中，大多使用压痕断裂力学模型或切削加工模型近似处理。在磨削过程中陶瓷材料去除机理一般可分为脆性断裂和塑性变形两大类型。通过对不同材料去除方式对不同的表面／亚表面损伤指标的影响，得出初步结论：对材料去除方式的控制是有效预测和控制材料表面／亚表面损伤的方法。     

陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究

探讨了陶瓷磨削裂纹源的来源、形成及扩展过程.同时,运用陶瓷微观结构的有关知识结合压痕断裂力学,分析了Al2O3-ZrO2(4Y)和TiC-TiB2陶瓷磨削裂纹的特征.磨削实验发现:由于在陶瓷中存在弱界面,裂纹易在此处形成,并发生偏转、分支和桥联等形式,使得材料中裂纹的扩展呈现不连续性.     

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件的可靠性。设置单因素实验,对不同磨削参数下HIPSN陶瓷的磨削力进行测量,通过扫描电镜(SEM)对亚表面裂纹和表面形貌进行观察,分析磨削力对亚表面裂纹的影响。实验结果表明:磨削力随着砂轮线速度的增大而减小,随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大;当磨削力变大时,陶瓷亚表面裂纹扩展程度增加,表面形貌变差。在粗磨加工HIPSN陶瓷时,可以通过减小工件进给速度和磨削深度,提高砂轮线速度的方法来降低裂纹的扩展程度,能够有效降低后续工艺的加工时间和难度,提高表面质量。     

超声振动磨削氧化锆陶瓷表面损伤模型的实验研究

以压痕断裂力学模型和硬脆材料去除机理为理论基础,对氧化锆陶瓷的表面损伤进行研究,结合砂轮特征及磨削力公式建立了普通磨削和超声振动磨削的横向裂纹和表面破碎率模型,并对实验所得材料表面进行图像处理。结果表明：横向裂纹和表面破碎率随着磨削深度增大而增大,与普通磨削相比,超声振动磨削降低了45%裂纹长度,降低了23%表面破碎率,具有更完整的表面形貌特征。     

纳米结构陶瓷涂层的磨削机理

用压痕断裂力学模型或切削加工模型来处理纳米结构陶瓷的磨削去除机理.把磨削中磨粒与工件的相互作用近似看成理想的小规模压痕现象,研究磨削裂纹的形成与扩展过程、材料的去除过程以及陶瓷磨削表面缺陷来评价陶瓷加工表面质量.切削加工模型证明了虽然材料去除通常由脆性去除实现,但大部分磨削能消耗与塑性变形有关.     

金属材料疲劳短裂纹萌生与扩展研究综述

系统梳理了金属材料疲劳短裂纹的定义、分类、试验方法、萌生机理及典型扩展率模型，对当前短裂纹行为研究面临的问题进行了总结与展望。研究结果表明，在萌生机理方面，材料自身的微观结构对短裂纹萌生及扩展有重要影响，短裂纹扩展至晶界处，受晶粒取向及晶界阻力影响，扩展率会下降，裂尖突破晶界束缚后，短裂纹扩展路径出现局部偏折。在扩展行为描述方面，短裂纹的扩展驱动力与承受的载荷水平、残余应力、表面处理方式、局部磨损状况等有关。扩展过程中，裂纹尖端材料在小范围内屈服而产生局部塑性区。同时，塑性尾迹区也逐渐形成，进而产生塑性诱导闭合，导致裂纹扩展门槛值降低。此外，晶体位错之间的相互作用和位错塞积会阻碍位错发展。机器学习算法作为一种先进技术手段，已在短裂纹扩展行为表征中得到应用，对提升预测精度有促进作用。随着金属材料短裂纹行为研究的进一步深入，未来可重点关注短裂纹萌生与扩展实时监测、试验影响因素控制、数据离散性分析、扩展率模型的工程应用等问题，探索建立适用于工程结构与零部件的在役长、短裂纹扩展率统一表征模型和实时监测与安全评估技术，结合先进的机器学习算法，实现对工程关键金属结构更有效、更准确的安全性评定和剩余...     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用研究

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面粘结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹形态特征及分布情况。实验结果表明：在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明：磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

高温低周疲劳短裂纹萌生的数值模拟

基于大量的高温低周疲劳试验,编写Matlab程序修正voronoi多边形模拟了20钢表面的显微组织;用有限元软件计算得到了不同试验条件下试样表面的应力、应变状态;以基础能量表征晶界及滑移带抵抗裂纹萌生的能力,改进位错累积理论并计算获得了裂纹的萌生寿命,实现了对低碳钢高温低周疲劳短裂纹萌生的数值模拟。结果表明:在高温下,疲劳短裂纹主要萌生于应力集中处的驻留滑移带及不稳定晶界上,受表面显微组织的影响,既有沿晶萌生又有穿晶萌生;修正的voronoi多边形很好地反映了表面显微组织,数值模拟能够准确再现不同循环次数下疲劳短裂纹的群体萌生行为。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面黏结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹的形态特征及分布情况。实验结果表明:在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明:磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

总结讨论了国内外在陶瓷磨削表面/亚表面损伤方面所作的研究及其所取得的成果;讨论了表面/亚表面裂纹和残余应力产生的原因及扩展机理;探讨了控制陶瓷磨削表面/亚表面损伤的途径;指出了当前研究所存在的问题及今后需要努力地方向。     

电镀金刚石砂轮面磨削氧化铝陶瓷的机理研究

本文利用电子扫描电镜，观察了金刚石磨粒的微切削刃以及氧化铝陶瓷试件的磨削时的表面、已磨削表面，对电镀金刚石砂轮磨氧化铝陶瓷的机理进行了研究，指出氧化铝陶瓷已磨削表面的缺陷以及脆性袭纹为主，磨削温度对材料去除过程影响很大，有可能存在非裂纹扩展的陶瓷材料去除方式。     

碳化硅陶瓷高效端面磨削试验研究

碳化硅陶瓷材料多采用小磨削深度的传统磨削方法,磨削效率较低。采用金刚石砂轮对碳化硅陶瓷材料进行了端面磨削试验研究,选用低进给速度和大磨削深度,探究了不同磨削参数对磨削力和磨削表面粗糙度的影响规律,分析了磨削表面的损伤形式,进一步验证了碳化硅陶瓷磨削加工材料去除机理。试验结果表明,端面磨削方法可以进行大切深的磨削加工,砂轮预紧力对磨削力和磨削面粗糙度有一定的影响作用。     

陶瓷磨削机理

高强度陶瓷材料磨削加工的高成本限制了它的广泛应用，对磨削机理的基本了解是经济高效地加工陶瓷的技术基础。本文概述了磨谢中磨粒切削陶瓷工件材料的状况。以前，关于陶瓷磨削机理的研究绝大部分都采用“压痕断裂力学”模型近似或“切削加工”模型近似。压痕断裂力学模型是把磨粒与工件的相互作用看作理想化的小规模压痕；典型的切削加工近似则把切削力的测量和磨屑及加工表面的显微观察结合起来。这两种模型近似都为陶瓷材料的磨削机理提供了重要依据。     

氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究

工程陶瓷零件的亚表面损伤严重影响其可靠性和使用寿命,因此探究了磨削温度对氮化硅陶瓷表面裂纹扩展的影响。首先,通过K型热电偶测温技术获得磨削参数与磨削温度的关系;其次,通过陶瓷片磨削试验获得陶瓷内部亚表面裂纹扩展情况;最后,得出磨削温度对裂纹扩展的改善机制。试验结果表明,随着磨削速度、磨削深度的增加,磨削温度增大;随着进给速度的增加,磨削温度减小。纵向裂纹在陶瓷内部扩展时会产生与原纵向裂纹扩展方向相同或者相近的新纵向裂纹,新纵向裂纹的路径在残余热应力的作用下会改变方向,出现横向裂纹,当新横向裂纹与原横向裂纹扩展路径相交后,会引起陶瓷表面的断裂和剥落。当磨削温度由456℃增加到1 035℃时,裂纹扩展深度先由8.1μm减小到3.8μm后,再增大到19.2μm,在603～732℃时,裂纹扩展深度较小,为3.8～5.6μm。研究表明适当的磨削温度对陶瓷亚表面裂纹扩展有抑制作用。     

电火花机械复合磨削反应烧结SiC陶瓷的表面特征

研究了基于电火花机械复合磨削技术加工的反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷的表面特征。用电火花机械复合磨削(EDDG)、电火花磨削(EDG)以及普通磨削(CG)三种方法加工RB-SiC陶瓷,并采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对加工后的SiC陶瓷的表面粗糙度、表面形貌及微观裂纹进行测量和对比试验,获得了RB-SiC陶瓷的EDDG加工特性。实验显示:EDDG加工的RB-SiC陶瓷的表面粗糙度优于EDG加工的表面粗糙度,为0.214 9μm,但比CG加工的表面粗糙度0.195 6μm略差。对加工后的SiC陶瓷表面形貌观察显示,传统磨削加工后的表面存在明显划痕,EDG加工表面主要由放电凹坑组成,而EDDG加工表面同时存在放电凹坑和磨削划痕;另外,传统磨削表面也存在磨削裂纹和晶界裂纹,但EDG加工后的表面只存在热裂纹,而EDDG加工后的表面存在磨削裂纹和热裂纹,不过热裂纹可以用金刚石磨粒磨削去除。对比实验显示RB-SiC陶瓷的EDDG加工与EDG和CG加工获得了不同的表面特征。     

15MnVN钢疲劳短裂纹生长演化特性

对循环载荷作用下 15MnVN钢的显微组织变形、微观裂纹的萌生和短裂纹扩展过程进行了研究。结果表明 ,在孔边应力集中处 ,显微组织的变形是不均匀的 ,其主要集中在铁素体晶粒内。在循环载荷作用下 ,晶内滑移带与晶界相互作用 ,形成晶界微裂纹。微裂纹合并形成短裂纹。裂纹尖端塑性区内晶粒同样经历裂纹的萌生和扩展过程。在短裂纹范围内 ,裂纹的扩展过程有很大的随机性。分析结果表明 ,短裂纹的扩展过程符合对数正态分布。     

KDP晶体加工表面的亚表面损伤检测与分析

采用截面显微法和择优蚀刻法分别对磷酸二氢钾(KDP)晶体从线切割样品制备到磨削、抛光亚表面损伤进行检测,利用OLYMPUS MX40光学显微镜对表面腐蚀现象与亚表面裂纹形状进行观测,并对裂纹深度进行测量。结果表明,由线切割产生的亚表面损伤裂纹形状以"斜线状"为主,裂纹深度最大值为85.59 μm;由#600砂轮磨削产生的亚表面损伤深度最大值为8.55 μm。在(001)晶面出现了四方形的分布密度较高的位错腐蚀坑;而在三倍频晶面上出现的是密度较低、形状类似梯形的位错腐蚀坑。该研究为KDP晶体亚表面损伤提供了一种检测与分析手段。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。