SiC磨削残余应力及其对弯曲强度的影响

论文摘要

磨削是SiC陶瓷主要的机械加工方式,磨削过程在陶瓷表面产生大量的残余应力,对SiC陶瓷的性能产生很大的影响。本文通过有限元模拟计算和X射线衍射测量的方法分析了不同磨削条件下磨削过程引入的残余应力。并且,采用抛光和热处理对磨削后的试样进行处理,比较不同处理方法对磨削残余应力和弯曲强度的影响。采用有限元模拟计算和X射线衍射的方法来分析磨削过程中的残余应力。通过移动加载和移动热源模型来模拟磨削过程,分别计算出磨削过程中产生的机械残余应力和热残余应力。计算结果表明,在湿磨情况下,由于冷却液的冷却作用,热残余应力几乎可以忽略,试样表面主要是机械残余压应力且随磨削深度的增加而减小。计算结果得到X射线衍射测量结果的证实。不同的处理手段对材料的残余应力和特征强度的影响有较大的不同。退火、抛光等处理手段能有效的减小磨削后试样中的残余应力数值,其中800℃退火后残余应力值最小。同时,韦伯模量的计算表明:退火、抛光过程能引起材料内部裂纹的变化,韦伯模量越小,裂纹平均尺寸越大,材料的弯曲强度越小,而磨削后的残余压应力会提高材料的弯曲强度,残余应力和韦伯模量的双重作用使得未作任何处理的磨削试样的特征强度值最大;韦伯模量值较大的800℃退火特征强度次之;抛光过程残余应力对材料的强度没有贡献,但由于其韦伯模量大于1000℃退火,故特征强度第三,1000℃退火特征强度最小。通过分析磨削表面状态发现,在XPS分析中,磨削后试样表面Si-O键峰比例占31.3%,与表面暴露于空气中的SiC材料的Si-O键峰比例相近,说明磨削过程中未发生明显的氧化。退火处理对于试样的表面形貌和粗糙度的影响不大;抛光处理能极大的改善试样的表面质量,降低粗糙度。通过试样的断口形貌分析,试样断面呈现脆性断裂方式包括穿晶断裂及部分沿晶断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 工程陶瓷的磨削加工方法
• 1.2.2 陶瓷材料的去除机理
• 1.2.3 残余应力及其检测方法
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 材料与试验方法
• 2.1 SiC陶瓷磨削加工方法
• 2.1.1 SiC陶瓷性能
• 2.1.2 SiC加工实验设备
• 2.1.3 SiC磨削加工过程
• 2.2 残余应力测量方法
• 2.2.1 残余应力测量原理
• 2.2.2 残余应力测量设备
• 2.3 试样表面处理
• 2.3.1 试样的抛光处理
• 2.3.2 热处理过程
• 2.3.3 粗糙度的测量
• 2.4 弯曲强度的测量
• 2.4.1 弯曲强度测量设备
• 2.4.2 精细陶瓷三点弯曲国家标准
• 2.4.3 弯曲强度的Weibull统计
• 第3章 SiC陶瓷磨削残余应力有限元计算
• 3.1 磨削力的计算
• 3.1.1 计算模型的确定
• 3.1.2 磨削力的确定
• 3.2 有限元模型的确定
• 3.2.1 单元的选择
• 3.2.2 模型的建立
• 3.2.3 网格的划分
• 3.3 残余应力的计算
• 3.3.1 机械残余应力的计算
• 3.3.2 热残余应力的计算
• 3.3.3 机械残余应力以及热残余应力的计算结果比较
• 3.3.4 不同磨削深度下残余应力测量分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 SiC试样弯曲强度分析
• 4.1 理论分析
• 4.2 弯曲强度实验分析
• 4.2.1 不同处理下的表面形貌及粗糙度
• 4.2.2 不同处理工艺下的残余应力分析
• 4.2.3 不同处理下的弯曲强度
• 4.2.4 不同处理条件下残余应力对强度的影响
• 4.3 磨削后表面成分XPS分析
• 4.4 SiC材料的弯曲断口形貌
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢