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氮化镓纳米划擦中表面及亚表面损伤机理研究

氮化镓纳米划擦中表面及亚表面损伤机理研究

作者：张超越大连理工大学

学位级别：硕士

作为第三代半导体材料,氮化镓具有许多优异的性能,但应用中除自身性能良好之外,晶片还需要具有纳米级的形状精度以及亚纳米级的表面/亚表面损伤,而氮化镓硬度高、脆性大,加工中极易产生机械损伤。因此,清晰认识其在纳米加工中的微观机理... 详细信息

作为第三代半导体材料,氮化镓具有许多优异的性能,但应用中除自身性能良好之外,晶片还需要具有纳米级的形状精度以及亚纳米级的表面/亚表面损伤,而氮化镓硬度高、脆性大,加工中极易产生机械损伤。因此,清晰认识其在纳米加工中的微观机理,对优化加工工艺以获得高精度、低损伤的氮化镓晶片至关重要。本文通过分子动力学模拟和纳米压划痕实验,深入研究了氮化镓在纳米划擦中表面及亚表面损伤的形成机理及影响因素,旨在丰富氮化镓纳米加工理论体系的同时,为优化加工工艺提供理论依据和技术参考。首先,通过分析氮化镓纳米划擦过程可知,在划擦中,与金刚石压头接触处的氮化镓发生弹塑性变形,形成了大量非晶原子和分布在划痕两侧及压头前方的切屑。同时,在亚表层内也形成了间隙原子、空位缺陷、原子团簇、闪锌矿相原子以及“U”型半位错环等多种缺陷。其中,位错长度和闪锌矿相原子数随着划擦距离的增加呈现出波动式增长。此外,亚表面损伤层的存在也明显降低了氮化镓材料的力学性能及后续可加工性。与未受损伤的氮化镓相比（21.83GPa）,纳米划擦后形成的带有亚表面损伤氮化镓的极限拉伸强度仅为9.26GPa,平均降低了约26.8%。工艺参数中划擦深度（H）对氮化镓在纳米划擦中表面及亚表面损伤的影响最为显著。当H＜1.0nm时,已加工表面损伤严重,而H≥1.0nm时,已加工表面的质量显著提升,但其亚表面损伤却随着H的增加愈发严重。此外,高速和高温划擦也都有利于提升氮化镓的材料去除率,但当速度从25m/s增加到50m/s时,位错和相变原子增多,导致其亚表层损伤加剧。随着速度的继续增长（V＞50m/s）,亚表层的质量略微得到改善。因此加工中可以通过适当增大速度来提高材料去除率,并降低亚表面损伤。此外,与100K相比,当温度升高到1000K时,划擦后氮化镓内位错长度大约增长了3倍,氮化镓亚表层内塑性变形加剧,并且亚表面损伤层的宽度也明显增大。材料各向异性对氮化镓的机械可加工性也有明显影响。相较于Ga面,N面氮化镓在纳米划擦中已加工表面质量更高,但原子去除率低,亚表层内塑性变形严重,深入分析后发现b=1/3＜11-20＞的刃型位错是导致二者亚表层内塑性变形差异明显的主要原因。此外,对比[-2110]向,沿[0-110]向划擦时,氮化镓表面及亚表面质量都更高,纳米划擦实验结果也证实这一点。相同载荷下,沿[0-110]向划擦时,划痕表面及两侧裂纹更少,摩擦系数也更小。

关键词：氮化镓纳米划擦分子动力学工艺参数表面/亚表面损伤

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氧化锆陶瓷铣磨加工表面/亚表面损伤研究

氧化锆陶瓷铣磨加工表面/亚表面损伤研究

作者：任芙蓉华侨大学

学位级别：硕士

氧化锆陶瓷因其独特的物理化学性质,被广泛应用于航空航天、3C电子、生物应用、汽车等领域。铣磨加工因工具线速度小,磨削力大易使工件表面或内部造成较大损伤,产生各种各样的随机缺陷或裂纹。这些缺陷或裂纹的存在降低了工件的实际强度... 详细信息

氧化锆陶瓷因其独特的物理化学性质,被广泛应用于航空航天、3C电子、生物应用、汽车等领域。铣磨加工因工具线速度小,磨削力大易使工件表面或内部造成较大损伤,产生各种各样的随机缺陷或裂纹。这些缺陷或裂纹的存在降低了工件的实际强度,同时增加了后续的工艺加工过程的难度。本文以铣磨加工氧化锆陶瓷过程中的表面/亚表面损伤为研究对象,基于压痕断裂力学,以离散元模拟和加工实验为研究手段,研究不同工艺参数对表面/亚表面损伤程度的影响,并对单颗磨粒划擦基于工艺参数的损伤演化分析,再基于此,探究不同工艺参数对铣磨加工后表面/亚表面损伤程度的影响,最终对铣磨加工损伤演化分析以及建立损伤深度预估模型,为进一步深入研究铣磨加工的损伤机理以及损伤深度提供依据。具体研究工作包括:（1）基于离散元方法,对离散元中的接触模型进行理论分析,引入参数β和β,建立适用于氧化锆陶瓷的接触模型。并对接触模型中的宏观-细观参数关系进行敏感性与交互性分析。依次通过单轴压缩、三点弯曲、单边切口梁数值模拟试验,在空间尺度上进行性能参数的校核,引入参数后的模型的误差值在5%以内。（2）结合离散元仿真与试验加工两种方法,设计全因子实验,以表面损伤宽度和亚表面损伤深度为表征,依次从损伤形态、划擦力以及应力三个角度分析工艺参数对单颗磨粒划擦氧化锆陶瓷的表面/亚表面损伤程度的影响。对比仿真与试验结果,最后对单颗磨粒划擦的表面/亚表面损伤演化进行分析。结果表明:划擦深度对损伤程度的影响比划擦速度大,亚表面裂纹主要以径向裂纹和侧向裂纹为主,而中位裂纹较难生成,在v=15m/s,a=30μm时,生成98.9μm长的中位裂纹,在扩展中与侧向裂纹交汇后继续向工件内部延伸;单颗划擦力与划擦速度之间呈非线性单调递减的关系,在a=10μm和a=15μm时,递减程度较小;进给方向两侧的压应力区域并非都是对称的,在v=20m/s,a=30μm时两侧最大压应力值相差380MPa,差值较大。（3）结合单颗磨粒划擦的表面/亚表面损伤演化分析,设计单因素试验,结合多颗磨粒铣磨仿真试验与铣磨加工试验,分别以表面损伤宽度和亚表面损伤深度为表征,从损伤形态、划擦力以及应力三个角度分析仿真试验结果,以表面粗糙度与亚表面损伤深度为表征,从表面形貌和划擦力两个角度分析试验结果。综合分析铣磨加工氧化锆陶瓷的损伤演化形式。最后基于压痕断裂力学,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度的关系,得出铣磨加工损伤深度预估模型。结果表明,影响铣磨加工损伤程度的加工参数由大到小为:进给速度>磨削深度>转速。在n=9000r/min,v_f=25mm/min,a=5μm时的损伤最小,铣磨力为7.9N,工件表面有塑性划痕以及局部隆起,亚表面损伤表现为径向裂纹;在n=6000r/min,v_f=100mm/min,a=20μm的损伤程度最大,铣磨力为27.7N,工件表面呈现出沟渠型损伤,亚表面微观形貌存在大量横向裂纹和崩碎。铣磨加工损伤深度预估模型为SSD=0.0537×SR×10+18.5498。

关键词：氧化锆陶瓷铣磨加工表面/亚表面损伤离散元

单晶氧化镓精密研磨表面/亚表面损伤检测及研磨工艺研究

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单晶氧化镓精密研磨表面/亚表面损伤检测及研磨工艺研究

作者：徐亚萌盐城工学院

学位级别：硕士

单晶氧化镓(β-GaO)是具有超宽禁带的新型半导体材料,非常适合开发研制应用于高频、高功率器件和光电子领域。从氧化镓晶体生长出来到制备成器件的过程中,需要进行一系列复杂的精密加工,导致了表面及亚表面损伤的产生,严重影响了器件的... 详细信息

单晶氧化镓(β-GaO)是具有超宽禁带的新型半导体材料,非常适合开发研制应用于高频、高功率器件和光电子领域。从氧化镓晶体生长出来到制备成器件的过程中,需要进行一系列复杂的精密加工,导致了表面及亚表面损伤的产生,严重影响了器件的性能和使用寿命。本文以纳米划痕测试技术为基础,研究了单晶氧化镓摩擦磨损性能以及纳米刻划中的表面变形和材料去除机理,对游离磨料研磨加工后单晶氧化镓的表面及亚表面损伤进行分析,提出了优化后的游离磨料研磨单晶氧化镓工艺路线。主要的研究内容与结论如下:基于纳米划痕技术对单晶氧化镓的(010)和(100)两个晶面进行摩擦磨损试验研究。为分析载荷、速度和摩擦次数对于不同晶面影响,对各个试验条件下的划痕宽度和深度进行了测量并拟合,得出了可进行比较的量化结果:载荷和重复摩擦次数对划痕磨损量的影响比速度更大。使用Berkovich金刚石压头在纳米划痕仪上进行纳米刻划试验。通过表征得到了单晶氧化镓在刻划过程中的变形特征,对刻划过程中的刻划力和划入深度之间关系进行了数据拟合,分析了线性加载刻划过程中的摩擦系数,得出单晶氧化镓(010)晶面的材料去除规律。同时基于赫兹接触理论计算得到单晶氧化镓(010)晶面的弹塑转变临界深度,表明划入深度在1.108 nm时,单晶氧化镓去除方式发生弹塑转变。结合数据与表面变形特征得到单晶氧化镓脆塑转变临界深度为482.24 nm。采用不同粒度金刚石磨粒在不同压力下游离磨料研磨加工单晶氧化镓(010)和(100)两个晶面,通过分析加工后的表面粗糙度和表面缺陷,结合压痕断裂力学并以表面粗糙度R作为预测亚表面损伤裂纹深度的条件,建立了亚表面损伤裂纹预测模型。采用截面显微法直接检测亚表面损伤裂纹深度,验证上述预测模型的可靠性,研究结果能够为优化单晶氧化镓精密加工工艺提供参考依据。通过游离磨料研磨的加工方式,选择满足粗研磨和精研磨阶段加工要求的磨粒粒径、转速和载荷,以提高单晶氧化镓表面加工质量为主要目标进行工艺参数优化。使用粗研磨与精研磨相结合两步走的加工工艺对单晶氧化镓(100)和(010)晶面进行加工,粗磨阶段采用W7金刚石磨料在树脂合成铁盘上以3k Pa的研磨压力进行研磨,精磨阶段采用W3金刚石磨料在树脂合成锡盘上同样以3k Pa的研磨压力进行研磨。

关键词：单晶氧化镓纳米划痕摩擦磨损材料去除机理表面/亚表面损伤研磨加工

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陶瓷磨削的表面/亚表面损伤

湖南大学学报（自然科学版） 2002年第5期29卷 61-71页

作者：邓朝晖张璧周志雄任莹晖刘建湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心湖南长沙410082

磨削是目前工程陶瓷的主要加工方法 ,本文主要对国内外在陶瓷磨削后工件表面 /亚表面损伤 (主要是微裂纹和表面残余应力 )方面所作的研究成果进行了总结、分析和讨论 ,提出了一些有待研究的问题及其研究思路 .同时就作者所承担项目“纳... 详细信息

磨削是目前工程陶瓷的主要加工方法 ,本文主要对国内外在陶瓷磨削后工件表面 /亚表面损伤 (主要是微裂纹和表面残余应力 )方面所作的研究成果进行了总结、分析和讨论 ,提出了一些有待研究的问题及其研究思路 .同时就作者所承担项目“纳米结构材料精密磨削及其预报”研究中的临界砂轮磨粒切深 (dc)和被磨工件临界损伤深度 Cr(临界中位裂纹长度 )的预测模型进行了分析 ,并建立了临界砂轮磨粒切深 (dc)理论模型 .

关键词：陶瓷磨削工程陶瓷金刚石砂轮磨削表面/亚表面损伤临界砂轮磨粒切深临界裂纹长度微裂纹

大尺寸超薄不锈钢柔性衬底超精密加工表面/亚表面损伤检测及工艺研究

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大尺寸超薄不锈钢柔性衬底超精密加工表面/亚表面损伤检测及工艺...

作者：彭亚男河南科技学院

学位级别：硕士

不锈钢因其低热膨胀系数、水氧隔离性能优越或成为柔性显示器的主要衬底材料。这就要求其表面实现全局平坦化,通常采用研磨抛光的方法,但是加工往往产生损伤,对后续加工的去除量及不锈钢衬底的使用性能均存在较大影响。本文主要对304不... 详细信息

不锈钢因其低热膨胀系数、水氧隔离性能优越或成为柔性显示器的主要衬底材料。这就要求其表面实现全局平坦化,通常采用研磨抛光的方法,但是加工往往产生损伤,对后续加工的去除量及不锈钢衬底的使用性能均存在较大影响。本文主要对304不锈钢研磨抛光工序加工效率和表面/亚表面的损伤进行研究,具体研究如下:（1）304不锈钢加工表面/亚表面损伤的检测方案利用金相显微镜、三维表面轮廓仪和扫描电镜观测304不锈钢加工表面/亚表面损伤层厚度,通过sin2φ法测定304不锈钢亚表面残余应力,并确定表面/亚表面损伤检测策略:加工面形貌检测、加工面抛光与残余应力检测、镶嵌制样、截面研磨抛光、腐蚀、观察和检测。（2）游离磨料研磨304不锈钢表面/亚表面损伤的检测高效率和低损伤两者很难保全;高压、高转速、大粒径磨粒、短时间工况下研磨工件材料去除率高,达到1μm/min以上;低压、低转速、大粒径磨粒、长时间工况下表面粗糙度较低,低于0.336μm,表面损伤层厚度较小,小于4.677μm;高转速、小粒径磨粒工况下,亚表面残余应力较低,低于-171.49±9.01MPa;低压、低转速、长时间工况下,亚损伤层厚度较小,小于8μm;游离磨料研磨不锈钢产生的亚表面损伤层厚度大于表面损伤层厚度。（3）固结磨料研磨304不锈钢表面/亚表面损伤的检测高效率和低损伤两者很难保全;高压、高转速、短时间工况下研磨工件材料去除率高,达到1μm/min以上;高转速、小粒径磨粒工况下表面粗糙度较低,低于47.51nm,表面损伤层厚度较小,小于1.259μm;低压、高转速、小粒径磨粒工况下,亚表面残余应力较低,低于-440.49±9.01MPa;高转速、小粒径磨粒工况下,亚损伤层厚度较小,小于2.5μm;固结磨料研磨304不锈钢表面粗糙度和表面损伤层厚度小于游离磨料;固结磨料研磨304不锈钢亚表面残余应力大于游离磨料;固结磨料研磨304不锈钢产生的亚表面损伤层厚度大于表面损伤层厚度,并小于游离磨料;固结磨料研磨304不锈钢产生的总体损伤小于游离磨料。（4）化学机械抛光304不锈钢表面/亚表面损伤的检测高效率和低损伤两者很难保全;高压、高转速、短时间工况下抛光工件材料去除率高,达到0.7μm/min以上;高转速、小粒径磨粒工况下表面粗糙度较低,低于13.02nm,表面损伤层厚度较小,小于1.676μm;低转速、大粒径磨粒、长时间工况下,亚表面残余应力较低,低于-220.99±3.01MPa;高转速、小粒径磨粒工况下抛光工件后亚表面损伤层厚度较小,小于1μm;化学机械抛光304不锈钢表面粗糙度小于固结磨料,表面损伤层厚度却相反,但都小于游离磨料;由于化学腐蚀作用,化学机械抛光304不锈钢亚表面残余应力在游离磨料和固结磨料之间;化学机械抛光不锈钢产生的亚表面损伤层厚度与表面损伤层厚度相近,并小于游离磨料和固结磨料;化学机械抛光304不锈钢产生的总体损伤小于固结磨料和游离磨料。（5）304不锈钢光整工艺的优化游离磨料研磨不锈钢表面/亚表面损伤层厚度范围分别为4.677~16.698μm和8~35μm,变化较大;固结磨料研磨不锈钢表面/亚表面损伤层厚度范围分别为1.259~2.945μm和2.5~10μm,变化不大;化学机械抛光不锈钢表面/亚表面损伤层厚度范围分别为1.676~3.027μm和1~5μm,变化不大。进而得到304不锈钢优化光整工艺:首先使用第四章固结磨料最高效工艺参数（压力5psi、转速85r/min、磨粒粒径7μm）对对304不锈钢表面进行高效研磨,以快速磨平工件表面,耗时1.45h;之后采用第五章化学机械抛光法（工艺参数同上）对304不锈钢表面进行半精抛,耗时0.31h;最后采用第二章抛光方法对304不锈钢进行精抛,耗时1.7h。最终耗时3.16h实现全局光滑平坦化。

关键词：表面/亚表面损伤 304不锈钢材料去除率表面粗糙度残余应力

光学元件研抛加工过程中表面/亚表面损伤的研究

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光学元件研抛加工过程中表面/亚表面损伤的研究

作者：朱文慧长春工业大学

学位级别：硕士

随着空间遥感观测技术的飞速发展,作为空间遥感相机关键元件之一的光学反射镜不断向大口径、离轴化和高度轻量化的趋势发展,因此对反射镜材料的选取与加工工艺亦提出了更高的要求。碳化硅具有高硬度、高强度、化学性能稳定、耐磨性好等... 详细信息

随着空间遥感观测技术的飞速发展,作为空间遥感相机关键元件之一的光学反射镜不断向大口径、离轴化和高度轻量化的趋势发展,因此对反射镜材料的选取与加工工艺亦提出了更高的要求。碳化硅具有高硬度、高强度、化学性能稳定、耐磨性好等特点,是作为空间反射镜材料的理想选择之一。但是碳化硅的脆性较高,同时断裂韧性较低,使其在精密加工中极易产生表面/亚表面微裂纹、位错、相变等损伤,从而影响材料的表面完整性和疲劳性能。计算机控制精密研抛是一种能有效减小由其它加工工序引起的表面/亚表面损伤的加工手段。目前常用的研抛方法主要是接触式,研抛工具和工件表面不可避免的存在机械作用,因此研抛工件表面微裂纹、脆性断裂以及残余应力集中等表面/亚表面损伤依然存在。为了在碳化硅研抛加工过程中获得较好的表面和亚表面质量,研究碳化硅材料表面/亚表面损伤机理和控制裂纹深度具有重要意义。本文以碳化硅精密研抛加工的去除机理和运动学特性为理论基础,建立研抛工艺参数(研抛深度、主轴转速、进给速度和磨粒粒径)与表面和亚表面损伤之间的数学模型。利用有限元仿真技术进行单磨粒研抛过程仿真,通过观测动态研抛过程,分析工件表面和亚表面损伤深度在不同工艺参数下的变化情况。通过碳化硅精密研抛实验,验证了理论模型和仿真结果的有效性。最后在实验的基础上,采用BP神经网络建立亚表面损伤深度预测模型,改进细菌觅食算法(BFO),并将其与预测模型相结合,建立亚表面损伤抑制模型,并对工艺参数进行优化,得到碳化硅研抛加工的最优工艺参数组合和最小亚表面损伤深度值。论文主要研究内容包括:(1)基于研抛加工中硬脆材料的去除机理、断裂理论和运动学特性,建立考虑磨粒分布和动态特性参数的表面/亚表面损伤深度的理论模型,得到损伤深度和工艺参数之间的数学关系式,确定研抛深度、主轴转速、进给速度和磨粒粒径对表面和亚表面损伤的影响趋势。(2)采用ABAQUS有限元仿真软件,建立单磨粒模拟碳化硅研抛过程的二维和三维模型,分析研抛加工过程中材料变形损伤机制,以及不同加工参数对表面破碎层和亚表面裂纹的影响规律。通过对仿真数据的整理分析,得到表面/亚表面损伤深度随着研抛深度、磨粒转速等参数的变化规律。(3)进行碳化硅精密研抛实验,对研抛后的碳化硅工件分别进行表面粗糙度和亚表面损伤深度的检测,通过数据分析得到不同工艺参数下表面形貌、表面粗糙度和亚表面裂纹深度的变化规律,从而验证理论模型和仿真模型的有效性。(4)通过优化工艺参数抑制亚表面损伤,利用BP神经网络建立亚表面损伤深度的预测模型,将改进的细菌觅食算法与神经网络预测模型相结合,以亚表面损伤深度为目标函数,研抛工艺参数为待优化目标构造适应度函数,建立亚表面损伤的抑制模型。

关键词：光学元件碳化硅计算机控制精密研抛有限元仿真表面/亚表面损伤

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碳化硅振动辅助抛光表面/亚表面损伤的研究

碳化硅振动辅助抛光表面/亚表面损伤的研究

作者：周岩长春工业大学

学位级别：硕士

碳化硅（SiC）陶瓷材料具有耐高温,耐磨损,化学性质稳定且比刚度高等特点,被广泛应用在医疗仪器、航天航空器和军事国防等领域。但是,在常规的抛光加工中,抛光刀具磨损率高、脆性去除产生的表面划痕和亚表面损伤严重和应力集中导致工件... 详细信息

碳化硅（SiC）陶瓷材料具有耐高温,耐磨损,化学性质稳定且比刚度高等特点,被广泛应用在医疗仪器、航天航空器和军事国防等领域。但是,在常规的抛光加工中,抛光刀具磨损率高、脆性去除产生的表面划痕和亚表面损伤严重和应力集中导致工件表面残余应力高等问题是不可避免的。基于常规加工方法中加工SiC陶瓷材料是较困难的,本文通过振动辅助抛光加工的方法来改善加工后工件的表面完整性,并且研究了振动辅助抛光SiC表面/亚表面的损伤机理。本文以SiC陶瓷为主要研究目标。首先,设计一套二维振动辅助抛光装置。然后,以振动辅助抛光加工的去除机理和运动学特性作为理论基础,建立亚表面损伤预测模型,再利用三维有限元仿真技术进行振动辅助抛光加工仿真,结合理论计算和三维有限元仿真结果,设计SiC陶瓷工件的振动辅助抛光实验,揭示其工艺参数对表面粗糙度和亚表面损伤深度的影响规律。论文主要研究内容包括:（1）通过对振动辅助加工方式优势的了解,针对SiC陶瓷材料的加工特性,利用振动辅助抛光的加工方式改善SiC的表面完整性。首先,设计了一套二维振动辅助抛光装置,通过对装置的柔性铰链机构分析进而计算得到装置的运动行程和固有频率等性能参数,然后,以运动行程和固有频率为目标函数,利用改进的细菌觅食算法更快速、精确的优化装置的参数来保证设计的装置具有更优的固有频率和行程。最后,对装置进行实验测试,以此来验证装置的实际性能与理论计算和仿真相符合。（2）根据振动辅助抛光加工装置的运动学特性,结合脆性材料的去除机理和陶瓷材料的断裂力学理论,建立了不同工艺参数与亚表面损伤深度（SSD）的理论预测模型,分析振动辅助加工中不同工艺参数对脆性材料工件的亚表面损伤深度的影响规律,得到了损伤深度和工艺参数之间的关系。然后,利用有限元仿真软件,建立了SiC陶瓷振动辅助抛光过程的三维模型,分析了振动辅助抛光加工过程中材料损伤机制,以及不同工艺参数对亚表面裂纹的影响规律。通过仿真数据的结果对比分析,讨论脆性材料的亚表面损伤随着振动辅助抛光的横向振幅、纵向振幅（名义切削深度）、加工频率和磨粒顶角等参数的变化情况,结果表明较小的纵向振幅（名义切削深度）、磨粒顶角有利于改善表面和亚表面质量,而与之相反的是表面和亚表面质量随着磨粒进给速度的增加而得到改善。（3）通过对SiC陶瓷材料进行变切深的无振动常规划痕和振动辅助划痕实验,检测SiC加工后的临界切削深度和划痕槽的形貌,揭示振动辅助加工可以增加SiC陶瓷材料的临界切削深度;然后再通过对比无振动的常规抛光实验和振动辅助抛光实验前后工件的表面残余应力和表面形貌等信息的实验结果,可以发现振动辅助抛光后的SiC工件表面残余应力较小且表面粗糙度也会小于常规抛光加工的工件;最后通过观测不同参数加工后的工件表面形貌和亚表面裂纹情况,揭示了振动辅助抛光工艺参数对表面粗糙度和亚表面损伤深度的影响规律,从而验证了理论预测模型和有限元仿真结果的有效性。

关键词：柔性铰链机构碳化硅陶瓷振动辅助抛光有限元模拟表面/亚表面损伤

纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

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纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

作者：孔令志河南理工大学

学位级别：硕士

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率... 详细信息

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率低,加工成本高,且表面质量较差。超声振动磨削技术的引入大大提高了陶瓷材料的加工效率,降低了加工成本。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性,其在加工过程中表面易留下加工损伤,如表面/亚表面裂纹、表面破碎、表面粉碎以及残余应力等,上述加工损伤的存在将严重影响陶瓷工件的疲劳寿命及使用安全。为此本文从陶瓷材料磨削的表面完整性、表面/亚表面裂纹的成核及其扩展过程和表面残余应力等方面对超声振动磨削陶瓷表面/亚表面损伤机理进行了深入研究。从微观角度揭示了超声振动对陶瓷材料表面/亚表面损伤的形成机理,为陶瓷材料的高效、精密无损加工提供理论依据。本文主要研究内容如下:1.分析了陶瓷材料的去除机理,并对超声磨削陶瓷表面损伤进行了实验研究。研究表明超声振动磨削可以在较大切深范围内实现材料的塑性域磨削,从而可以在提高加工效率的同时有效降低工件的磨削损伤。而普通磨削则在较小磨削深度时就已经出现表面破碎等表面损伤。2.根据压痕断裂力学相关理论分析了超声磨削应力场,并在此基础上对超声振动磨削时裂纹成核及扩展机理做了详细讨论。分析表明超声磨削过程中磨削应力场是一个高频交变应力场,该交变应力场将加速材料的疲劳断裂,同时该交变应力场将促使裂纹向自由表面扩展,从而阻止裂纹向工件内部扩展,降低亚表面裂纹损伤。3.分析了超声振动磨削表面残余应力的形成机理。由于超声振磨削较普通磨削具有更大切深范围的延性域,所以超声磨削时材料更易于以塑性去除方式去除,而塑性去除将会使工件表面形成残余压应力。而普通磨削多以脆性方式去除,表面易形成破碎,材料的破碎去除将释放掉部分表面残余应力。故相同磨削条件下,超声磨削表面残余压应力要大于普通磨削。实验表明两种磨削方式下磨削表面皆为残余压应力。

关键词：纳米复相陶瓷超声振动磨削表面质量磨削损伤表面/亚表面裂纹表面/亚表面损伤

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

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机械制造与自动化 2010年第1期39卷 63-66,86页

作者：孔令志赵波河南理工大学机械与动力工程学院河南焦作453003

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。

关键词：工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤表面/亚表面裂纹残余应力