机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响

发布时间：2017-07-08 06:02

  本文关键词：机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响

  更多相关文章： 夹杂 热力耦合 亚表面斜裂纹 应力强度因子 纳米压痕 晶体结构

【摘要】：材料中的缺陷结构比如：夹杂,空穴,裂纹等不但影响材料本身功能与性能的完整性,而且最终可能导致材料的失效。当这些缺陷出现在材料表面的附近并受到外载时,它们的损伤效应将变得十分的明显。在机械加工这种更为强烈的力学过程中,亚表面缺陷效应产生的后果则更加快速直接地体现出来。这些亚表面缺陷结构有一部分是加工前就已经存在的,另外一部分则是亚表面损伤产生的。它们在很大程度上影响着加工后表面的质量。如果加工后表面损伤太大,则后续的抛光研磨处理将变得更加繁琐,这样便会使得加工周期延长,加工成本增加,加工效率降低。机械加工本质上是一个影响因素众多,强非线性,强热力耦合的过程,也是一个集物理、化学、力学等多学科交叉的复杂工程问题。为了获得低损伤的机械加工方法,本文对机械加工中两种亚表面缺陷对表面质量的影响以及亚表面损伤的演化过程进行了较为系统的研究：建立了关于夹杂影响因素的钛合金切削有限元模型,并分析了夹杂尺寸因素与高度因素对加工过程中切削力和加工后的表面残余应力的影响；基于断裂力学的数值方法来研究在外力载荷和压头半角的影响。在外部变化的影响参数下,本文利用裂纹尖端应力强度因子判断裂纹扩展的临界参数；从微观层面出发,本文利用分子动力学的方法模拟(Molecular Dynamics)研究了纳米压痕下单晶铜,多晶铜及纳米孪晶铜三种不同的晶体结构的力学行为,揭示了晶体结构和孪晶厚度在纳米压痕下的力学效应以及缺陷的演化过程,并且对变形区域的晶体结构,位错,应变,压痕力,温度,硬度,和弹性恢复系数进行了评估。本文的主要研究成果和创新性工作如下：(1)建立了夹杂因素的二维有限元切削模型,相比没有夹杂存在的情况,基体中存在的不同尺寸和不同位置的夹杂都会对表面残余应力和切削力产生不同程度的影响。在本文模拟中假设切削厚度是一定的,从而可以以夹杂尺寸和切削厚度之间的比例关系来推断表面完整性受影响程度。此外本文发现较大的且更靠近加工表面的夹杂会导致更大的切削力与表面残余应力,这说明夹杂因素对切削加工的影响是十分明显的。更值得一提的是,通过对模拟的全面观察,切削力和表面残余应力的大小变化与刀具靠近夹杂时施加在夹杂上的应力密切相关。因此,这些分析将有助于我们获得更好的加工表面与改进我们的切削加工工艺。(2)基于连续位错分布法建立了脆性材料的磨削模型,并计算了亚表面斜裂纹尖端应力强度因子(SIF)的大小。材料基体中的应力场由两部分组成：外部压头的接触弹性应力场与材料中产生的塑性应力场。本文主要考虑外载大小和压头半角大小两个方面的加工参数。分析结果显示,亚表面斜裂纹的主要断裂形式是剪切断裂而非拉伸断裂,当压头半角一定时,亚表面斜裂纹不会发生I型扩展。压头半角对裂纹扩展的影响十分明显。当外载值一定时,大的压头半角对裂纹的扩展将会显现出强烈的屏蔽效应。为了更好地展现裂纹的扩展条件,本文给出了压头半角和临界外载的数值关系参考图。(3)建立了单晶铜、多晶铜和孪晶多晶铜的纳米压痕分子动力学模型,模拟结果显示：单晶铜、多晶铜和孪晶多晶铜的硬度、弹性恢复比和温度都依赖于晶体结构和孪晶厚度。随着压痕深度增大,导致塑性区域显著增大。初始的位错形核总是出现在压头下方,在不同的压痕深度观察到压力的非线性下降说明位错在压痕过程中不断形核与滑移。此外,塑性变形对晶体结构有着很强的相关性：单晶铜的塑性变形依赖于位错的产生,扩展和位错之间的交互作用；多晶铜的塑性变形依赖于位错与晶界的作用；纳米孪晶多晶铜的塑性变形则依赖于位错与孪晶界的交互作用及孪生和退孪生行为。本文不但提供了晶体结构和孪晶厚度对铜材料纳米压痕的力学响应,而且对于理解其他面心立方结构的纳米晶体材料性能也提供指导作用。
【关键词】：夹杂 热力耦合 亚表面斜裂纹 应力强度因子 纳米压痕 晶体结构
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH161.14
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 国内外研究现状综述11-16
• 1.2.1 金属切削加工残余应力及夹杂缺陷研究现状11-13
• 1.2.2 脆性材料磨削加工及亚表面损伤研究现状13-15
• 1.2.3 纳米晶体材料压痕试验分子动力学模拟研究现状15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 基于有限元分析亚表面夹杂对表面残余应力影响的研究18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 考虑夹杂影响的钛合金切削的二维有限元仿真18-20
• 2.2.1 二维有限元模型建立18-19
• 2.2.2 材料本构和断裂损伤判据19-20
• 2.3 仿真结果讨论20-28
• 2.3.1 夹杂的尺寸因素20-25
• 2.3.2 夹杂的高度因素25-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 脆性晶体材料在磨削加工中亚表面斜裂纹的扩展研究30-41
• 3.1 引言30
• 3.2 基于连续位错分布法的磨削模型建立30-37
• 3.2.1 亚表面斜裂纹的位错模型30-36
• 3.2.2 裂纹尖端应力强度因子的数值解36-37
• 3.3 结果及讨论37-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 基于分子动力学模拟的纳米压痕中晶体结构的力学行为研究41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 基于分子动力学多种晶体结构的压痕实验模拟41-43
• 4.3 分子动力学模拟结果与讨论43-52
• 4.3.1 纳米晶体的压痕反应43-48
• 4.3.2 孪晶厚度效应48-52
• 4.4 本章小结52-54
• 总结与展望54-57
• 参考文献57-70
• 致谢70-71
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文71-72
• 附录B 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目72

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本文编号：533225