本文關(guān)鍵詞：機(jī)械加工中亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量的影響

  更多相關(guān)文章： 夾雜 熱力耦合 亞表面斜裂紋 應(yīng)力強(qiáng)度因子 納米壓痕 晶體結(jié)構(gòu)

【摘要】：材料中的缺陷結(jié)構(gòu)比如：夾雜,空穴,裂紋等不但影響材料本身功能與性能的完整性,而且最終可能導(dǎo)致材料的失效。當(dāng)這些缺陷出現(xiàn)在材料表面的附近并受到外載時(shí),它們的損傷效應(yīng)將變得十分的明顯。在機(jī)械加工這種更為強(qiáng)烈的力學(xué)過(guò)程中,亞表面缺陷效應(yīng)產(chǎn)生的后果則更加快速直接地體現(xiàn)出來(lái)。這些亞表面缺陷結(jié)構(gòu)有一部分是加工前就已經(jīng)存在的,另外一部分則是亞表面損傷產(chǎn)生的。它們?cè)诤艽蟪潭壬嫌绊懼庸ず蟊砻娴馁|(zhì)量。如果加工后表面損傷太大,則后續(xù)的拋光研磨處理將變得更加繁瑣,這樣便會(huì)使得加工周期延長(zhǎng),加工成本增加,加工效率降低。機(jī)械加工本質(zhì)上是一個(gè)影響因素眾多,強(qiáng)非線性,強(qiáng)熱力耦合的過(guò)程,也是一個(gè)集物理、化學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜工程問(wèn)題。為了獲得低損傷的機(jī)械加工方法,本文對(duì)機(jī)械加工中兩種亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量的影響以及亞表面損傷的演化過(guò)程進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究：建立了關(guān)于夾雜影響因素的鈦合金切削有限元模型,并分析了夾雜尺寸因素與高度因素對(duì)加工過(guò)程中切削力和加工后的表面殘余應(yīng)力的影響；基于斷裂力學(xué)的數(shù)值方法來(lái)研究在外力載荷和壓頭半角的影響。在外部變化的影響參數(shù)下,本文利用裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子判斷裂紋擴(kuò)展的臨界參數(shù)；從微觀層面出發(fā),本文利用分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬(Molecular Dynamics)研究了納米壓痕下單晶銅,多晶銅及納米孿晶銅三種不同的晶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為,揭示了晶體結(jié)構(gòu)和孿晶厚度在納米壓痕下的力學(xué)效應(yīng)以及缺陷的演化過(guò)程,并且對(duì)變形區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu),位錯(cuò),應(yīng)變,壓痕力,溫度,硬度,和彈性恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。本文的主要研究成果和創(chuàng)新性工作如下：(1)建立了夾雜因素的二維有限元切削模型,相比沒(méi)有夾雜存在的情況,基體中存在的不同尺寸和不同位置的夾雜都會(huì)對(duì)表面殘余應(yīng)力和切削力產(chǎn)生不同程度的影響。在本文模擬中假設(shè)切削厚度是一定的,從而可以以?shī)A雜尺寸和切削厚度之間的比例關(guān)系來(lái)推斷表面完整性受影響程度。此外本文發(fā)現(xiàn)較大的且更靠近加工表面的夾雜會(huì)導(dǎo)致更大的切削力與表面殘余應(yīng)力,這說(shuō)明夾雜因素對(duì)切削加工的影響是十分明顯的。更值得一提的是,通過(guò)對(duì)模擬的全面觀察,切削力和表面殘余應(yīng)力的大小變化與刀具靠近夾雜時(shí)施加在夾雜上的應(yīng)力密切相關(guān)。因此,這些分析將有助于我們獲得更好的加工表面與改進(jìn)我們的切削加工工藝。(2)基于連續(xù)位錯(cuò)分布法建立了脆性材料的磨削模型,并計(jì)算了亞表面斜裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子(SIF)的大小。材料基體中的應(yīng)力場(chǎng)由兩部分組成：外部壓頭的接觸彈性應(yīng)力場(chǎng)與材料中產(chǎn)生的塑性應(yīng)力場(chǎng)。本文主要考慮外載大小和壓頭半角大小兩個(gè)方面的加工參數(shù)。分析結(jié)果顯示,亞表面斜裂紋的主要斷裂形式是剪切斷裂而非拉伸斷裂,當(dāng)壓頭半角一定時(shí),亞表面斜裂紋不會(huì)發(fā)生I型擴(kuò)展。壓頭半角對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響十分明顯。當(dāng)外載值一定時(shí),大的壓頭半角對(duì)裂紋的擴(kuò)展將會(huì)顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的屏蔽效應(yīng)。為了更好地展現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展條件,本文給出了壓頭半角和臨界外載的數(shù)值關(guān)系參考圖。(3)建立了單晶銅、多晶銅和孿晶多晶銅的納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)模型,模擬結(jié)果顯示：?jiǎn)尉с~、多晶銅和孿晶多晶銅的硬度、彈性恢復(fù)比和溫度都依賴于晶體結(jié)構(gòu)和孿晶厚度。隨著壓痕深度增大,導(dǎo)致塑性區(qū)域顯著增大。初始的位錯(cuò)形核總是出現(xiàn)在壓頭下方,在不同的壓痕深度觀察到壓力的非線性下降說(shuō)明位錯(cuò)在壓痕過(guò)程中不斷形核與滑移。此外,塑性變形對(duì)晶體結(jié)構(gòu)有著很強(qiáng)的相關(guān)性：?jiǎn)尉с~的塑性變形依賴于位錯(cuò)的產(chǎn)生,擴(kuò)展和位錯(cuò)之間的交互作用；多晶銅的塑性變形依賴于位錯(cuò)與晶界的作用；納米孿晶多晶銅的塑性變形則依賴于位錯(cuò)與孿晶界的交互作用及孿生和退孿生行為。本文不但提供了晶體結(jié)構(gòu)和孿晶厚度對(duì)銅材料納米壓痕的力學(xué)響應(yīng),而且對(duì)于理解其他面心立方結(jié)構(gòu)的納米晶體材料性能也提供指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】：夾雜 熱力耦合 亞表面斜裂紋 應(yīng)力強(qiáng)度因子 納米壓痕 晶體結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH161.14
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 研究背景和意義11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述11-16
• 1.2.1 金屬切削加工殘余應(yīng)力及夾雜缺陷研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 脆性材料磨削加工及亞表面損傷研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.3 納米晶體材料壓痕試驗(yàn)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容16-18
• 第2章 基于有限元分析亞表面夾雜對(duì)表面殘余應(yīng)力影響的研究18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 考慮夾雜影響的鈦合金切削的二維有限元仿真18-20
• 2.2.1 二維有限元模型建立18-19
• 2.2.2 材料本構(gòu)和斷裂損傷判據(jù)19-20
• 2.3 仿真結(jié)果討論20-28
• 2.3.1 夾雜的尺寸因素20-25
• 2.3.2 夾雜的高度因素25-28
• 2.4 本章小結(jié)28-30
• 第3章 脆性晶體材料在磨削加工中亞表面斜裂紋的擴(kuò)展研究30-41
• 3.1 引言30
• 3.2 基于連續(xù)位錯(cuò)分布法的磨削模型建立30-37
• 3.2.1 亞表面斜裂紋的位錯(cuò)模型30-36
• 3.2.2 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值解36-37
• 3.3 結(jié)果及討論37-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第4章 基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的納米壓痕中晶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 基于分子動(dòng)力學(xué)多種晶體結(jié)構(gòu)的壓痕實(shí)驗(yàn)?zāi)M41-43
• 4.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與討論43-52
• 4.3.1 納米晶體的壓痕反應(yīng)43-48
• 4.3.2 孿晶厚度效應(yīng)48-52
• 4.4 本章小結(jié)52-54
• 總結(jié)與展望54-57
• 參考文獻(xiàn)57-70
• 致謝70-71
• 附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文71-72
• 附錄B 攻讀碩士學(xué)位期間參加的主要科研項(xiàng)目72

，

本文編號(hào)：533225