氮化硅陶瓷崩碎损伤的三维时空演化特征

建立了氮化硅陶瓷的准静态单晶压痕崩碎损伤实验系统,应用声发射三维定位系统实时监测其损伤演化过程,应用三维显微系统观测陶瓷崩口损伤表面形貌,并分析了崩碎损伤过程的临界行为.结果表明:声发射事件的三维实时定位直观反映了陶瓷崩碎损伤过程中材料内部微裂纹的萌生、扩展、成核和贯通的损伤演化过程,其定位结果与陶瓷崩口三维几何形貌具有较好的一致性.陶瓷崩碎曲面主要沿着二次多项式的轨迹向陶瓷表面扩展.陶瓷崩碎损伤具有明显的临界行为,声发射计数率和释能率的变化都符合幂律奇异性规律.     

基于边缘破碎驱动裂纹推挤加工的破碎模拟实验研究

工程陶瓷基于边缘破碎驱动裂纹软推挤加工是一项创新性的非传统接触式加工技术,可采用单晶压头挤压破碎模拟实验研究新技术的加工特征.通过对挤压破碎曲线、微观形貌观察以及有限元仿真讨论了挤压驱动裂纹失稳的机理,以及预制缺陷的应力集中效应起到的重要作用.通过正交实验探讨了加载速度、凸缘宽度、压痕位置离外边缘距离、槽深对挤压破碎力的影响规律,并采用多元回归模型实现较好的拟合.     

基于单磨粒微米划刻的单晶硅精密切削机理研究

为了探究硅片器件精密磨削加工的切削特征与机理,运用三棱锥形状的金刚石磨粒以不同加载压力划刻单晶硅材料表面模拟磨削加工过程,分析了划痕形貌特征、切削力与切削深度的演变规律,阐释了单晶硅的微米级切削加工机理。单晶硅微破碎去除发生的临界条件为法向切削力80 mN,临界切削深度2.03 μm;剥落去除发生的临界条件为法向切削力800 mN,切削深度5.65 μm。切削深度、切削力比在不同切削机理条件下具备可区分的差异化特征。平均切削深度随加载压力的变化规律呈现出鲜明的自相似性特征。此外,还分别构建了塑性去除、微破碎去除、剥落去除三个阶段的切削力方程,更准确地描述了切削力与切削深度的密切关系。     

工程陶瓷崩碎损伤的声发射逾渗特征

为研究工程陶瓷崩碎损伤演化过程中的逾渗行为,揭示其损伤机理,以氧化铝陶瓷为研究对象,构建了工程陶瓷崩碎损伤实验系统,建立了基于声发射的逾渗理论模型。通过对崩碎损伤过程中声发射信号分析可得:声发射计数率/能量释放率能实时反映陶瓷崩碎损伤过程中裂纹激活率的逾渗行为;基于声发射累积计数/累积能量的破坏比率反映了损伤累积对材料内部性能的影响,可从损伤积累的角度描述陶瓷崩碎损伤过程中的逾渗行为;声发射持续时间反映了陶瓷崩碎过程中逾渗行为的团簇变化规律。研究结果表明:基于声发射的逾渗理论模型可较好的描述陶瓷崩碎损伤演化过程的逾渗特征。      

基于灰色-尖点突变理论的氧化铝陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理研究

为探究工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理,以氧化铝陶瓷的单晶压痕边缘碎裂为平台,应用微机控制电子万能试验机施加载荷,应用声发射设备监测其损伤过程中的声发射信号,建立基于声发射信号参数的灰色-尖点突变理论模型,通过分析损伤过程中的加载特征和声发射信号特征,从损伤演化过程的角度揭示氧化铝陶瓷边缘碎裂的损伤规律.结果表明:氧化铝陶瓷的边缘碎裂是由一系列不连续的突变过程组成,在临界载荷之前,这些突变强度不大,不会对材料性能产生宏观影响;但当外加载荷达到某一临界载荷时,氧化铝陶瓷边缘会瞬间碎裂.应用基于声发射累积计数和累积能量的灰色-尖点突变模型可较好的描述氧化铝陶瓷边缘碎裂损伤演化过程的突变特性.     

基于GLCM和NN的陶瓷推挤加工表面特征研究

基于边缘效应驱动裂纹推挤加工技术是一项对工程陶瓷的非传统的接触式加工.基于灰度共生矩阵(GLCM)对采集的Si3N4陶瓷加工表面形貌图像提取了纹理特征参数,充分研究了步长、灰度量化级、方向三个构造参数对灰度共生矩阵的对比度、熵、相关性、能量的影响.结果表明:采用步长4,灰度量化级128时能更好获得较稳定的加工表面纹理特征参数,在采集图像的45°、135°两条对角线上的纹理特征变化更为明显.通过径向基层网络和竞争层网络两类神经网络(NN)的分工协作,针对不同加工参数的纹理特征的预测和分类,并探讨了各加工参数对纹理特征的影响规律.     

工程陶瓷三维周向包封预应力磨削技术研究

采用金属三维周向包封待磨削陶瓷工件,推导了周向包封技术预加压应力、阻止裂纹系统向材料纵深与边缘扩展的作用机理,建立了三维周向包封磨削加工应力与应变叠加模型,认为周向包封对工件的压应力超过磨削产生的拉应力时,磨削工件表层形成残余压应力.开展了三种陶瓷材料的三维周向包封磨削实验,发现周向包封磨削工件未出现表面损伤和边缘缺陷,改变磨削用量和砂轮参数,测量工件断裂强度以及平行磨削方向与垂直磨削方向的残余应力.结果表明,周向包封技术使Si3N4陶瓷磨削强度提高13.2～48.9 MPa,大切深加工提升幅度可达262.7 MPa;两个测量方向上周向包封工件表面残余应力为压应力,说明提出的应力叠加模型是正确的.     

基于能量的工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理研究

为探究工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理,建立工程陶瓷的单晶压痕边缘碎裂实验系统,分析了工程陶瓷边缘碎裂损伤演化过程的能量转化和释放特征,结合断口表面形貌,从能量的角度研究了工程陶瓷边缘碎裂的损伤规律与机理.结果表明:工程陶瓷的边缘碎裂过程具有显著的突变特征,在缓慢断裂期,裂纹扩展缓慢,陶瓷材料内部以穿晶断裂为主,绝大部分机械能通过晶粒变形的方式转变为弹性应变能;在瞬断期,裂纹扩展迅速,弹性应变能通过沿晶断裂、相对运动和滑移等形式转化为动能、表面能、损伤能、摩擦热能和辐射能等.幅值和释能率可较好地反映其损伤演化过程的能量释放特征.     

面向工程陶瓷的电极引弧微爆炸加工系统开发与加工特性研究

在对工程陶瓷加工技术发展现状和加工原理简要分析的基础上,借鉴电极放电基本理论和高功率 脉冲技术,研制了电极引弧微爆炸加工系统,对该系统核心组件专用脉冲电源的组成和功能进行了详细的 介绍。通过对Si3N4 陶瓷材料的加工实验,确定了主要加工参数的取值范围,并分析了该系统的加工特性,最 后对电极引弧微爆炸加工技术与激光、电火花和等离子等特种加工技术以及传统的金刚石砂轮磨削技术进 行了简要综合的比较。结果表明,电极引弧微爆炸加工技术是一项全新的低成本加工技术,具有非常广阔的 应用前景。     

工程陶瓷引弧微爆炸加工冲击力建模及实验分析

介绍了引弧微爆炸加工过程中冲击力产生的原因,利用单因素实验确定影响冲击力的主要工艺参 数,利用正交实验和回归分析的方法建立了冲击力指数型经验模型,得出工艺参数对冲击力的影响规律。实 验结果表明:工作电流、工作气压和微爆炸发生器喷嘴直径是影响冲击力大小的主要工艺参数,冲击力随着工 作电流的增大而减小,随着工作气压和喷嘴直径的增大而增大,而工作脉宽和工作距离对冲击力大小影响不 显著;建立的冲击力模型与实验结果吻合良好。研究结果可以为引弧微爆炸加工过程的控制提供参考依据。