预压应力下高温氧化铝陶瓷辊棒的裂纹扩展及其加工机理

　　工业陶瓷由于本身具有诸多优良的结构力学性能而被广泛应用于机械、电子、航空航天、仿生器械、机器人等领域。科学技术的发展促进了耐高温陶瓷管的压制、成型以及烧结工艺不断的得到改进和提高，使得耐高温陶瓷管的力学性能也得以提升。随着机械产品朝“高、精、尖”的方向发展，人们对陶瓷器件也提出越来越苛刻的要求，如高质量、高精度、高可靠性等。同时，耐高温陶瓷管本身的硬脆性使得其在加工的过程中不可避免的产生加工损伤和裂纹，降低了其可靠性。如何有效的降低耐高温陶瓷管加工过程中的损伤以及控制裂纹的扩展一直是学者们研究的重要课题。提出了一种耐高温陶瓷管的预压应力加工方法，并分别从理论分析、试验研究以及模拟三个角度来阐述预压应力下耐高温陶瓷管的断裂力学行为及其加工损伤机理。的研究成果可以为耐高温陶瓷管加工的实际应用提供一定的技术指导，对发展耐高温陶瓷管的高效、低损伤新加工工艺具有重要的科学意义和工程应用价值。

　　耐高温陶瓷管断裂力学行为近几十年来的研究成果；从耐高温陶瓷管的加工机理、去除机理以及研究方法与手段出发，综述了耐高温陶瓷管加工的研究现状；提出了耐高温陶瓷管的预压应力加工方法，概括了全文的研究内容及研究意义；以耐高温陶瓷管的压痕断裂力学为基础，建立了耐高温陶瓷管在预压应力作用下的划痕力学模型，分析了模型内部应力场随角度变量的分布；预压应力、载荷比等对模型内部主应力及最大剪切应力的影响，并得到了不同裂纹形态下的应力场强度因子；以工业中常见的碳化硅、氧化铝陶瓷为研究对象，通过施加不同大小的预压应力进行划痕试验；观察了材料表面/亚表面裂纹的扩展结果、材料的损伤情况、划痕沟槽的几何形状变化，以及记录了划痕过程中的声发射信号等；综合以上研究结果，分析了预压应力对材料内部裂纹扩展以及材料去除机理的影响；对预压应力下碳化硅陶瓷的磨削过程进行了实验研究，采用Kistler测力仪测量了不同预压应力下磨削力信号的变化情况；结合磨削后材料表面/亚表面的损伤情况、表面粗糙度以及残余应力的变化趋势等，分析了预压应力对耐高温陶瓷管磨削过程中裂纹扩展以及加工质量的影响；采用Cluster方法建立了在微观上能近似材料微结构，且在宏观上能表征其力学性能的耐高温陶瓷管离散元力学模型；建立了耐高温陶瓷管磨削加工的方法，分析了耐高温陶瓷管磨削过程中裂纹的动态扩展过程以及磨削力的变化情况；采用正交试验方法不同磨削加工工艺下的磨削力，材料损伤等。

　　基于离散元法提出了耐高温陶瓷管加工后表面/亚表面残余应力分析的新方法，分析了残余应力分布情况，综合以上研究结果，优化了其加工工艺参数；基于离散元法建立了预压应力下碳化硅陶瓷单点金刚石精密切削加工的离散元模型，分析了预压应力对材料内部裂纹扩展的影响，并以此与预压应力划痕试验进行对照分析；基于正交试验方法，对耐高温陶瓷管的精密切削加工工艺参数进行了优化；分别了切削工艺参数对残余应力分布的影响，并得到了残余应力云图；对的研究内容进行了简要总结，并对今后的研究工作进行了展望。在耐高温陶瓷管施加预压应力加工过程中，预压应力的存在将一定程度上阻止中位裂纹的扩展及降低材料的损伤。若施加合适大小的预压应力，将有助于改善材料的去除，从而达到主动控制材料损伤的目的；但预压应力并不是越大越好，过大的预压应力又将给材料带来新的损伤。

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