编号：FTJS107375
篇名： 氮化硅陶瓷研磨加工材料去除及亚表面损伤机理研究
作者： 苏蓉
关键词： 氮化硅陶瓷; 光滑粒子流体动力学; 微米划痕; 脆塑转变; 亚表面损伤;
机构：大连交通大学
摘要： 氮化硅陶瓷因具有诸多优良的物理化学性能而被广泛应用于航空航天、精密机床、新能源和高速铁路等高精尖领域。然而,氮化硅陶瓷的硬度高(莫氏硬度为9),断裂韧性低,是一种典型的硬脆材料,在研磨加工中极易产生裂纹、凹坑及崩碎等表面及亚表面损伤,严重降低了加工表面完整性和均匀性。如何实现氮化硅陶瓷的高效低损伤研磨加工是制约其应用的关键技术瓶颈。本文应用光滑粒子流体动力学(SPH)无网格数值仿真方法建立了氮化硅陶瓷研磨加工机理模型,针对研磨加工中氮化硅陶瓷的材料去除、脆塑转变及亚表面损伤等进行了研究,并通过微米划痕试验验证了所建模型的正确性。具体工作如下: (1)建立了氮化硅陶瓷研磨加工机理仿真模型。基于材料学、摩擦学、SPH及计算机科学等多学科理论,建立了微米尺度下氮化硅陶瓷磨粒划擦仿真模型。基于该模型开展了变载荷微米划痕仿真分析,得出氮化硅陶瓷的脆塑转变临界深度为4.2μm。此外,通过开展微米划痕试验,确定了氮化硅陶瓷的脆塑转变试验深度为4μm,与仿真仅相差5%,因而验证了所建仿真模型的正确性。 (2)分析了氮化硅陶瓷研磨加工材料去除及脆塑转变机理。基于已建立的模型,开展了氮化硅陶瓷亚表面应力应变分布特征及变化规律仿真研究,分析了磨粒的划擦深度和速度对氮化硅陶瓷的材料去除、塑性变形、裂纹产生及扩展的影响,确定了划擦力与磨粒形状、划痕间距、划擦深度和速度之间的映射关系。此外,试验研究了不同划擦速度和载荷条件下氮化硅陶瓷的脆塑转变行为,发现增大划擦速度有利于材料塑性去除。 (3)研究了氮化硅陶瓷研磨加工亚表面损伤机理。基于已建立的模型,分析了研磨损伤的形成机制,开展了划擦深度和速度、磨粒形状对氮化硅陶瓷亚表面残余应力和脆性损伤的影响研究,揭示了划痕间距对亚表面损伤深度和裂纹抑制效应的影响规律。结果表明:残余应力分布深度与划擦深度成正比,与划擦速度成反比;圆锥、三棱锥、四棱锥及球形磨粒作用后的残余应力分布深度分别为1.5μm,2μm,6.5μm和11.5μm;裂纹抑制效应随划痕间距的增大而减小,当划痕间距达到32μm时,裂纹抑制效应消失。