当前位置:主页 > 科技论文 > 化学工程论文 >

SiC陶瓷材料刻划去除机理及裂纹扩展行为研究

发布时间:2018-05-26 10:49

  本文选题:SiC陶瓷 + 纳米刻划 ; 参考:《哈尔滨工业大学》2016年博士论文


【摘要】:SiC陶瓷具有硬度高、热膨胀系数小、比刚度高、耐磨损以及耐腐蚀等优点,广泛应用于卫星、航空航天、先进武器、空间望远镜等领域。目前,磨削是SiC材料主要的加工方法,尽管针对该材料的磨削加工表面特征及工艺参数优化进行了一定的研究,但是关于该材料的微观去除机理和裂纹行为仍然模糊不清。因此,深入研究磨削过程中材料去除机理和裂纹扩展机制等基础行为对获得良好的磨削表面质量及较低的亚表面损伤具有重要帮助,然而磨削是一个复杂的过程,很难直接分析其材料去除行为及表面/亚表面裂纹扩展机制,刻划实验是研究材料磨削加工过程中去除行为最常用和有效的方法之一,因此,本文基于刻划实验及仿真对硬脆材料的磨削去除过程及裂纹形式进行了分析。SiC陶瓷是由SiC颗粒烧结而成,材料结构复杂,直接研究难度很大,因此,本文选择了从单晶到陶瓷以及从塑性去除到脆性去除的研究路线。本文主要通过分子动力学仿真、有限元仿真以及不同方式的刻划实验深入研究了反应烧结SiC陶瓷磨削去除及表面/亚表面裂纹扩展机制。为分析SiC材料在磨削去除过程中的微观变形及去除机理,本文利用分子动力学仿真方法分别研究了两种常见单晶SiC(6H-SiC和3C-SiC)的微观动态去除过程。分析了不同形状磨粒对SiC材料去除过程的影响,并对未加工区/已加工区的晶体结构、键长键角分布及高压相变等特征进行了分析,为SiC材料磨削加工过程中塑性去除机理提供了原子尺度的理论解释。本文通过纳米刻划、FIB及TEM等实验及检测手段深入研究了纳米尺度下的6H-SiC和3C-SiC的塑性去除机理,并通过实验直接证实SiC材料的已加工表面存在非晶相,结合分子动力学结果,系统分析了SiC材料的塑性去除机理。反应烧结SiC陶瓷是典型的硬脆材料,该材料在磨削过程中很容易出现断裂甚至是崩碎,深入研究材料断裂特性及裂纹扩展机理有利于理解加工区域裂纹分布特征,进而对抑制加工损伤提供理论指导。然而,该材料为几何结构复杂的多相材料,RBSC复杂随机几何结构直接决定了该材料断裂参数分布的解析解无法获得。因此,本文采用基于虚拟裂纹闭合技术的扩展有限元方法,建立了考虑RBSC材料结构的三维环硅及嵌硅模型,分析了材料结构对裂纹尖端断裂力学参数分布及裂纹动态扩展行为的影响。通过刻划仿真及变载荷的纳米刻划实验,研究了反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的裂纹扩展行为及裂纹分布形式,均质材料中的划痕表面/亚表面裂纹形貌规则,很容易区分裂纹形式。但是,受到复杂材料结构的影响,RBSC材料划痕表面/亚表面裂纹形式复杂,经常出现次生裂纹以及无规则的微裂纹。本文利用扩展有限元仿真方法详细分析了刻划过程中不同形式裂纹的扩展过程及分布形式,并对刻划实验中表面/亚表面裂纹分布形式给出了合理解释。综上所述,本文通过SiC材料多形状磨粒刻划仿真及实验,研究了SiC材料去除机理及裂纹扩展行为,为SiC材料精密/超精密磨削及抛光技术研究提供有力支撑,对反应烧结SiC陶瓷磨削裂纹扩展路径及分布形式问题给出了合理解释,该成果为研究降低反应烧结SiC陶瓷磨削表面损伤及亚表面裂纹深度奠定了理论基础。
[Abstract]:SiC ceramics have the advantages of high hardness, small thermal expansion coefficient, high stiffness, abrasion resistance and corrosion resistance. It is widely used in the fields of satellite, aerospace, advanced weapons, space telescope and so on. At present, grinding is the main processing method of SiC materials, although the surface features and technological parameters of the material are optimized. However, the micro removal mechanism and crack behavior of the material are still unclear. Therefore, it is very important to study the basic behavior of material removal mechanism and crack propagation mechanism in grinding process, which is of great help to obtain good grinding surface quality and lower subsurface damage. However, grinding is a complicated process and is difficult to direct. The removal behavior of material and the mechanism of surface / subsurface crack propagation are analyzed. The experiment is one of the most common and effective methods to study the removal of material in the process of material grinding. Therefore, based on the experiments and simulation, the grinding process and the form of the crack in the hard and brittle materials are analyzed and the.SiC ceramics are sintered by SiC particles. In addition, the material structure is complex and the direct research is very difficult. Therefore, this paper selects the research route from single crystal to ceramic and from plastic removal to brittleness. In this paper, the removal and surface / subsurface of reaction sintering SiC ceramic grinding and surface / subsurface are studied by molecular dynamics simulation, finite element simulation and different mode experiments. In order to analyze the micro deformation and removal mechanism of SiC material during the grinding process, the micro dynamic removal process of two kinds of common crystal SiC (6H-SiC and 3C-SiC) was studied by molecular dynamics simulation method. The effect of different shape abrasive particles on the removal process of SiC material was analyzed, and the unprocessed area / addition was added. The crystal structure, the key angle distribution and the high pressure phase transition are analyzed. The theoretical explanation for the plastic removal mechanism in the grinding process of SiC materials is provided. In this paper, the plastic removal mechanism of 6H-SiC and 3C-SiC in nanoscale is studied by nano scale characterization, FIB and TEM and other experiments and detection methods. The amorphous phase existed on the machined surface of the SiC material was directly confirmed by the experiment. The mechanism of the plastic removal of the SiC material was analyzed systematically with the molecular dynamics results. The reactive sintering SiC ceramics were typical hard and brittle materials. The material was easily broken and even broken and broken during the grinding process. The fracture characteristics and crack expander of the material were deeply studied. It is beneficial to understand the characteristics of the crack distribution in the processing area and provide theoretical guidance for the suppression of the machining damage. However, the material is a complex multi-phase material with a complex geometric structure. The complex random geometric structure of RBSC directly determines the analytical solution of the distribution of the fracture parameters of the material. Therefore, this paper uses the virtual crack closure technique to expand the analytical solution. The finite element method is developed to establish a three dimensional ring silicon and silicon embedded model considering the structure of RBSC material. The effect of the material structure on the distribution of fracture mechanics parameters and the dynamic crack propagation behavior at the crack tip is analyzed. The crack propagation behavior in the reaction burning SiC ceramic grinding process is studied by the simulation and the nano scale experiments of the variable load. Crack distribution, the rule of scratch surface / subsurface crack morphology in homogeneous material, is very easy to distinguish the form of crack. However, under the influence of the complex material structure, the scratch surface / subsurface crack form of RBSC material is complex, secondary cracks and irregular micro cracks often appear. This paper uses the extended finite element simulation method in detail. The expansion process and distribution form of different types of cracks in the process are analyzed, and the distribution of surface / subsurface cracks in the characterization experiment is explained. In summary, the mechanism of SiC material removal and the crack propagation behavior are studied by the simulation and experiment of the multi shape abrasive grain of SiC materials. It is the precision / ultra precision of the SiC material. The research of grinding and polishing technology provides a strong support, and gives a reasonable explanation for the path and distribution of the crack propagation in the reaction sintering SiC ceramics. The result lays a theoretical foundation for the study of reducing the surface damage and the subsurface crack depth of the reaction sintering SiC ceramics.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ174.6

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 毕谦;杨邦成;;爆炸动力效应与裂纹扩展分析(摘要)[J];昆明工学院学报;1988年06期

2 王生武,戴雅康,陶学文;疲劳浅裂纹扩展数据处理及计算方法的探讨[J];试验技术与试验机;1992年06期

3 周斌生,汤晓英,王正东,吴东棣;高温蠕变裂纹扩展参量Q~*(t)及其应用[J];材料工程;2003年10期

4 黄凯珠;黄明利;焦明若;唐春安;;三维表面裂纹扩展特征的研究[J];岩石力学与工程学报;2003年S1期

5 王德咏;张振南;葛修润;;应用单元劈裂法模拟三维内嵌裂纹扩展[J];岩石力学与工程学报;2012年10期

6 孙翔;刘传奇;薛世峰;;有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用[J];中国石油大学学报(自然科学版);2013年03期

7 陈篪;论裂纹扩展的判据[J];金属学报;1977年Z1期

8 孙福玉,廖乾初,蓝芬兰,刘才穆,刘建华;高强钢疲劳断口的扫描电镜观察和裂纹扩展机制的探讨[J];金属学报;1980年02期

9 郑文龙;钢在腐蚀疲劳条件下裂纹扩展形态的转变[J];金属学报;1980年04期

10 尹为恺;裂纹扩展量测定装置[J];洪都科技;1981年02期

相关会议论文 前10条

1 高存法;;磁场对软磁铁介质内裂纹扩展行为的影响[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年

2 姜燕;乐金朝;;沥青路面Ⅰ型裂纹扩展的理论分析与数值仿真[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

3 常亮明;;田湾核电站反应堆压力容器2#焊缝的假定裂纹扩展计算[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

4 郭瑞;陈章华;班怀国;;裂纹扩展的无网格有限元模拟[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年

5 刘绍伦;;关于裂纹扩展路径问题的研究[A];北京力学学会第12届学术年会论文摘要集[C];2006年

6 唐旭海;郑超;张建海;;多边形有限元法模拟裂纹扩展[A];第17届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C];2008年

7 余天堂;李海杰;任青文;;裂纹扩展数值模拟影响因素分析[A];第17届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C];2008年

8 刘文光;陈国平;;含裂纹平板的振动特性及裂纹扩展分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)下册[C];2011年

9 祁涛;;管道内表面非中心裂纹扩展研究[A];第十七届全国反应堆结构力学会议论文集[C];2012年

10 周磊;郭雅芳;;金属镁中沿晶裂纹扩展的分子动力学研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

相关博士学位论文 前10条

1 孟彬彬;SiC陶瓷材料刻划去除机理及裂纹扩展行为研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

2 师访;岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D];中国矿业大学;2015年

3 邓国坚;微尺度下疲劳小裂纹扩展特性的试验研究[D];华东理工大学;2015年

4 王雁冰;爆炸的动静作用破岩与动态裂纹扩展机理研究[D];中国矿业大学(北京);2016年

5 陈昊东;热荷载作用下玻璃破裂特性及裂纹扩展模拟研究[D];中国科学技术大学;2016年

6 郭萍;TC4-DT钛合金损伤行为研究[D];西北工业大学;2015年

7 刘淑兰;Ni基单晶高温合金中合金化元素对裂纹扩展作用的原子学模拟[D];钢铁研究总院;2015年

8 罗翔鹏;聚乙烯管电熔接头慢速裂纹扩展研究[D];浙江大学;2017年

9 魏赛;低温下非氧化物陶瓷的断裂机理、裂纹扩展与性能研究[D];清华大学;2016年

10 张玉波;粉末冶金Cu/WCp叠层材料疲劳及动态力学性能研究[D];昆明理工大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 李彩霞;基于扩展有限元法的裂纹扩展分析研究[D];西南交通大学;2015年

2 刘帆;船海结构物疲劳热点裂纹应力强度因子及其扩展路径预报方法研究[D];上海交通大学;2015年

3 赵莉莉;喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命影响的数值模拟研究[D];山东大学;2015年

4 李玉涛;含内部裂纹Q345钢在单轴拉伸作用下的破坏研究[D];广西大学;2015年

5 乔龙;低强度地震波和不同低温下管道裂纹扩展的模拟研究[D];新疆大学;2015年

6 洪圆;Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在TA2中的转型扩展研究[D];北京化工大学;2015年

7 陈白斌;基于扩展比例边界有限元法的混凝土结构裂纹扩展模拟[D];大连理工大学;2015年

8 暴艳利;基于多边形比例边界有限元的重力坝地震断裂问题研究[D];大连理工大学;2015年

9 曹然;复合材料多瓣易碎盖设计与实验研究[D];南京航空航天大学;2014年

10 吕毅;梯度复合材料的裂纹扩展研究[D];南京航空航天大学;2014年



本文编号:1936952

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/1936952.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户9084d***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com