基于纳米力学梯度加载模式的微晶玻璃材料去除机理研究

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微晶玻璃具有机械强度和硬度高、耐磨性好、化学性能稳定以及热膨胀系数可调等优异性能,在国防、化工、建筑和医疗等领域有着广泛的应用。微晶玻璃作为一种具有硬脆特性的典型难加工材料,加工过程中容易造成表面和亚表面损伤,因此对超精密加工技术提出了新的挑战。目前,超精密磨削被认为是微晶玻璃最有效的加工方法之一。然而由于砂轮表面磨粒随机分布,磨削加工过程中通常是由复数磨粒同时对材料进行去除。而以往的研究中更多关注单磨粒下材料的去除,很少能够深入地研究多磨粒作用下材料的去除机理。本课题旨在通过有限元仿真和纳米划痕测试研究多磨粒梯度加载下微晶玻璃的磨削加工机理,通过设计多磨粒梯度加载的一系列划痕仿真及实验,研究微晶玻璃的材料去除机理和裂纹扩展规律,本文主要研究内容如下:
  1.根据纳米压痕/划痕理论研究微晶玻璃的破坏机制,测试得到微晶玻璃的硬度、弹性模量和屈服应力等力学参数,并通过纳米划痕测试得到微晶玻璃的脆塑转变深度和临界载荷,为后续延性域和脆性域加工提供理论依据;
  2.建立微晶玻璃有限元仿真模型,分析多磨粒的间距对梯度加载的影响,为多次梯度加载时模型的建立提供基础,并通过有限元仿真分析梯度加载对划痕形貌和残余应力的影响;
  3.利用纳米划痕实验对仿真结果进行验证,实验从塑性域加工和脆性域加工两个方面进行分析,研究不同加工情况下梯度加载对材料表面形貌和裂纹扩展的影响,并且在三磨粒梯度加载下,划痕速度和压头形状对微晶玻璃材料去除的影响。实验结果表明:塑性域梯度加载时,划痕的残余深度随着加载次数的增大而增大,两侧形成的隆起也更加明显;脆性域梯度加载时,加载次数的增大会促进裂纹的扩展和材料去除,从而提高微晶玻璃的加工效率。
  本文基于纳米压痕/划痕理论,通过实验和有限元仿真对多磨粒梯度加载作用下的微晶玻璃的磨削机理进行研究,明确了加工过程中微晶玻璃的材料流动现象和裂纹扩展机制,从而为得到高表面完成质量的微晶玻璃元器件提供了理论依据。
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