SiC陶瓷材料刻划去除机理及裂纹扩展行为研究

摘要

SiC陶瓷具有硬度高、热膨胀系数小、比刚度高、耐磨损以及耐腐蚀等优点，广泛应用于卫星、航空航天、先进武器、空间望远镜等领域。目前，磨削是SiC材料主要的加工方法，尽管针对该材料的磨削加工表面特征及工艺参数优化进行了一定的研究，但是关于该材料的微观去除机理和裂纹行为仍然模糊不清。因此，深入研究磨削过程中材料去除机理和裂纹扩展机制等基础行为对获得良好的磨削表面质量及较低的亚表面损伤具有重要帮助，然而磨削是一个复杂的过程，很难直接分析其材料去除行为及表面/亚表面裂纹扩展机制，刻划实验是研究材料磨削加工过程中去除行为最常用和有效的方法之一，因此，本文基于刻划实验及仿真对硬脆材料的磨削去除过程及裂纹形式进行了分析。SiC陶瓷是由SiC颗粒烧结而成，材料结构复杂，直接研究难度很大，因此，本文选择了从单晶到陶瓷以及从塑性去除到脆性去除的研究路线。本文主要通过分子动力学仿真、有限元仿真以及不同方式的刻划实验深入研究了反应烧结SiC陶瓷磨削去除及表面/亚表面裂纹扩展机制。
　　本研究主要内容包括：⑴利用分子动力学仿真方法分别研究了两种常见单晶SiC（6H-SiC和3C-SiC）的微观动态去除过程。分析了不同形状磨粒对SiC材料去除过程的影响，并对未加工区/已加工区的晶体结构、键长键角分布及高压相变等特征进行了分析，为SiC材料磨削加工过程中塑性去除机理提供了原子尺度的理论解释。⑵通过纳米刻划、FIB及TEM等实验及检测手段深入研究了纳米尺度下的6H-SiC和3C-SiC的塑性去除机理，并通过实验直接证实SiC材料的已加工表面存在非晶相，结合分子动力学结果，系统分析了SiC材料的塑性去除机理。⑶采用基于虚拟裂纹闭合技术的扩展有限元方法，建立了考虑RBSC材料结构的三维环硅及嵌硅模型，分析了材料结构对裂纹尖端断裂力学参数分布及裂纹动态扩展行为的影响。⑷通过刻划仿真及变载荷的纳米刻划实验，研究了反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的裂纹扩展行为及裂纹分布形式，均质材料中的划痕表面/亚表面裂纹形貌规则，很容易区分裂纹形式。但是，受到复杂材料结构的影响，RBSC材料划痕表面/亚表面裂纹形式复杂，经常出现次生裂纹以及无规则的微裂纹。本文利用扩展有限元仿真方法详细分析了刻划过程中不同形式裂纹的扩展过程及分布形式，并对刻划实验中表面/亚表面裂纹分布形式给出了合理解释。⑸通过SiC材料多形状磨粒刻划仿真及实验，研究了SiC材料去除机理及裂纹扩展行为，为SiC材料精密/超精密磨削及抛光技术研究提供有力支撑，对反应烧结SiC陶瓷磨削裂纹扩展路径及分布形式问题给出了合理解释，该成果为研究降低反应烧结SiC陶瓷磨削表面损伤及亚表面裂纹深度奠定了理论基础。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2 SiC材料特性及加工现状

1.3 SiC材料分子动力学切削仿真研究现状

1.4 SiC材料塑性变形及去除机理研究现状

1.5硬脆材料划痕表面/亚表面裂纹研究现状

1.6 目前研究现状分析

1.7 本论文主要研究内容

第2章 单晶SiC多形状磨粒刻划过程分子动力学仿真研究

2.1 引言

2.2多形状磨粒分子动力学刻划仿真模型

2.3 SiC材料多形状磨粒刻划去除过程分析

2.4磨削过程中单晶SiC微观损伤形式及相变行为分析

2.5 本章小结

第3章 单晶SiC纳米刻划去除机理及表面/亚表面损伤研究

3.1 引言

3.2 6H-SiC纳米刻划去除机理及表面/亚表面损伤研究

3.3 3C-SiC纳米刻划去除机理及亚表面损伤研究

3.4 本章小结

第4章 反应烧结SiC陶瓷刻划过程中塑性去除机理及摩擦行为研究

4.1引言

4.2 RBSC材料塑性去除机理及亚表面损伤形式分析

4.3 RBSC材料塑性去除过程中摩擦行为分析

4.4 本章小结

第5章 反应烧结SiC陶瓷材料结构有限元建模及断裂特性研究

5.1 引言

5.2 RBSC材料三维模型及裂纹扩展有限元基础理论

5.3裂纹尖端断裂力学参数分析

5.4 型加载下半饼状裂纹尖端断裂力学参数及偏转角分析

5.5 型加载下半饼状裂纹扩展行为及路径分析

5.6 本章小结

第6章 反应烧结SiC陶瓷划痕表面/亚表面裂纹扩展机制及分布形式研究

6.1 引言

6.2 硬脆材料划痕裂纹形式分析

6.3 内聚力模型及扩展有限元分析

6.4 划痕表面/亚表面裂纹扩展过程三维分布有限元仿真分析

6.5 RBSC划痕表面/亚表面裂纹分布实验分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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