基于超声振动的纳米复相陶瓷的断裂特性研究

摘要

本文分析了超声加工陶瓷以及陶瓷断裂的研究进展，总结了超声作用于陶瓷材料的研究中目前存在的主要问题，针对纳米复相陶瓷材料加工中出现的断裂现象，指出了研究超声加工下纳米复相陶瓷断裂特性的必然性，这对于揭示纳米复相陶瓷材料在超声加工下的高效去除机理，进一步完善纳米复相陶瓷材料高效加工技术具有重要的意义。
　　首先利用非局部理论分析了超声振动条件下纳米复相陶瓷材料的断裂机理，建立了超声条件下的非局部本构模型，并对模型中的非局部应力、非局部模量进行了研究，得到结论：非局部模量随着超声频率的升高而明显降低；非局部应力随着超声频率的增大而减小；应力衰减幅度随超声频率的增大而增大。
　　其次，根据超声加工条件下纳米复相陶瓷断裂特性研究的具体需要，设计了超声振动条件下三点弯曲疲劳断裂试验装置，并对装置进行振动特性测试试验，发现效果良好，符合试验要求。同时提出了对超声振动条件下的试验过程进行在线观测的思路，并初步建立起在线观测平台。
　　然后，利用振动微分方程对疲劳断裂试样进行理论设计，并通过ANSYS进行受力分析。通过分析发现设计较为合理，并在理论上确定了对试验过程进行在线观测的观测点。通过对比普通磨削和超声磨削的磨削效果，确定了采用超声磨削的方法，并对加工后的试样进行人工抛光。通过对加工后的试样表面进行检测分析，得到表面质量较好，基本满足疲劳断裂的试样要求。
　　最后，通过超声振动条件下三点弯曲疲劳断裂试验，对比超声振动载荷和普通载荷条件下的试验结果，得到了如下结论：
　　（1）疲劳寿命和抗弯强度随超声频率的增加而下降，这与建立非局部模型的理论分析结果相一致，证明了建立的模型具有一定的合理性。随ZrO2含量的增加，疲劳寿命和抗弯强度增加，在含量为25％时达到最大值，随后随着ZrO2含量的增加反而有所下降；
　　（2）通过断口微观形貌分析，发现在普通载荷条件下的疲劳断裂方式以沿晶断裂为主，而超声振动载荷条件下的疲劳断裂方式以沿晶-穿晶混合模式为主，且断口存在明显的韧窝、解理面现象；
　　（3）通过试验前后的物相分析，发现在疲劳断裂过程中存在相变增韧现象，且相变量随试样中ZrO2含量的增加不断增加，在含量为25%左右时达到最大，随后又有一定的下降；随频率的增加而增加，但影响程度较弱；
　　（4）通过在线观测发现纳米复相陶瓷在断裂之前具有一定的弹性变形，经测量最大变形处达到8.89mm；超声频率较高条件下的疲劳裂纹起始点基本在受力正下方的最大受拉面，裂纹的最大偏转角较小，而在超声频率较低下的疲劳断裂点则发生偏移，且裂纹的最大偏转角达到了47.53°。

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1 绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题的背景与意义

1.3 超声加工陶瓷现状

1.4 陶瓷断裂研究现状

1.5 本文研究的基本内容

1.6 本文研究方法和技术路线

2 超声振动下纳米复相陶瓷断裂特性分析

2.1 前言

2.2 纳米复相陶瓷材料断裂类型分析

2.3 纳米复相陶瓷材料的断裂机理分析

2.4 建立超声条件下的非局部本构模型

2.5 非局部模量的试验研究

2.6 超声条件下纳米复相陶瓷断裂特性的确定

2.7 本章小结

3 超声振动声学系统设计及在线观测平台建立

3.1 前言

3.2 超声振动声学系统关键部件的选用

3.3 超声振动工具头的设计

3.4 超声振动声学系统的安装

3.5 超声振动声学系统的振动特性试验

3.6 在线观测平台的建立

3.7 本章小结

4 超声振动疲劳断裂试样的设计与加工

4.1 前言

4.2超声振动疲劳断裂试样设计

4.3 试样的有限元分析

4.4 超声振动疲劳断裂试样的加工

4.5 疲劳断裂试样加工质量测试

4.6 试样表面的物相分析

4.7 本章小结

5 超声振动条件下疲劳断裂试验研究

5.1 前言

5.2 纳米复相陶瓷断裂发育过程分析

5.3 超声振动条件下疲劳断裂试验设计

5.4 超声疲劳断裂试验结果与分析

5.5 在线观测结果及分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

作者简历

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