基于非局部理论的超声加工工程陶瓷延性高效的本质特征研究

陶瓷的超声加工技术，其延性高效机理的研究一直徘徊于工艺与界观阶段。本项目拟基于非局部理论，考虑陶瓷材料微观粒子间的长程力相互作用，从宏观力学和微观结构的角度，研究超声波对纳米复相陶瓷微观特性及力学行为的影响规律。使用原子点阵动力学把纳米复相陶瓷的微观特性与外部超声频率联系起来，建立超声下新的本构模型，确定波散射与断裂强度的关系。通过纳米复相陶瓷的超声拉伸、循环裂纹扩展和断裂强度试验，研究超声振动对其裂纹萌生及扩展的影响，解释超声作用下沿晶与穿晶断裂转换的机理；研究超声在纳米复相陶瓷材料中的宏观响应，获得超声对材料弹性模量的影响规律；研究其在不同超声频率下拉伸或磨削过程中的低温超塑性现象，给出其变化规律。最后通过建立与上述试验条件相似的超声加工受力模型，进行模拟仿真和磨削试验对照，从根本上揭示超声加工延性高效的理论本质，为进一步完善功率超声加工的理论奠定基础。

超声加工陶瓷材料的去除过程伴随着各种行为效应如力学效应、化学效应和热学效应等，为了解释加工性能改善的现象，本项目采用非局部理论，对超声波与纳米复相陶瓷材料的微观作用机理进行了探索。基于脆性材料断裂的非局部力学理论，考虑超声激励参量的影响建立了非局部弹性核参量和弹性核函数，推导出含有超声激励参量的非局部本构模型。开展超声激励轴向拉伸试验，考虑不同超声参数下非局部弹性核函数与长程作用域的关系，得出断裂应力随着振幅和频率的增加先减小后增加，在临界振幅和临界频率附近时，衰减率最小，非局部效应最强烈。而对试件拉伸断口物相分析发现超声激励在很大程度上改善了陶瓷材料的力学性能，ZrO2在应力诱导下发生t→m相变从而吸收应变，有较好的塑性力学性能。基于非局部弹性理论和最大拉应力准则推导出裂纹平面应变断裂韧性的理论公式，通过超声激励下的硬度和断裂韧性测试试验，发现超声下材料硬度值明显低于普通下的硬度值，约29.6%到41.3%，而普通情况下的断裂韧性值低于超声振动下的断裂韧性值，约为68%~85%。开展了超声激励延性域磨削试验，分析了超声频率对磨削力、磨削表面粗糙度以及临界延性磨削深度的影响。在相同磨削深度下，超声振动的法向磨削力和切向磨削力均比普通磨削时要小，并且随频率的升高而逐渐降低。在相同的参数条件下，多频率超声振动磨削力随磨削深度的增大而增大，随砂轮速度的增大而减小，随工作台速度的增大而增大，但达到一定程度后变化趋势下降。因此超声磨削表面质量与超声磨削频率有关，超声振动能降低了材料的磨削层表面等效硬度，改变材料去除方式，影响单颗磨粒去除材料的轨迹，从而提高磨削表面质量。超声波对ZrO2的相变起促进作用，由相变造成的体积膨胀对于磨削表面的微裂纹的产生与扩展都有一定的抑制作用。根据内聚力理论和非局部能量平衡理论，推导出了超声激励断裂表面能和动态裂纹扩展速度公式，分析了超声激励对裂纹扩展的微观作用机制，发现超声激励造成主裂纹周围产生位错云和微裂纹云，裂纹分叉或者偏转，形成吸收能量机制，裂纹扩展速率降低，材料的表观断裂表面能增大。此外，带有不同压头负载的超声加工声学系统的特性进行了优化设计和有限元分析；开展了超声铣削对C/C复合材料的实验研究，并分析了在该情况下超声声学系统的稳定性；为了实现对脆性材料的螺纹加工，提出了一种高精螺旋线加工超声旋风铣设备的设计，申请了国家专利，并已授权。