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        戴劍博博士答辯公告

        時間:2020-03-10來源:機電學院點擊:724


         

        答辯博士:戴劍博

        指導教師:蘇宏華  教授

        論文題目:基于斷裂力學的多晶碳化硅陶瓷磨削損傷機理及其影響機制研究

         

        答辯委員會:

        主席:孫方宏  教授  上海交通大學

        委員:譚業發  教授  陸軍工程大學

        徐九華  教授  南京航空航天大學

        傅玉燦 教授  南京航空航天大學

        曲寧松 教授  南京航空航天大學

            教授  南京航空航天大學

        蘇宏華  教授  南京航空航天大學

         

        秘書:張全利  講師  南京航空航天大學

        時間: 202003228:30

        地點: 騰訊會議

         

        學位論文簡介:

        碳化硅陶瓷由于其獨特的物理化學性能,在航空航天等領域具有廣泛的應用。磨削加工技術是碳化硅陶瓷材料最主要的加工方法,然而,在碳化硅陶瓷磨削過程中,容易產生以裂紋為主要形式的表面/亞表面磨削損傷,降低了零件的使用壽命,增加了后續的研磨拋光工藝過程的難度。當前碳化硅陶瓷類硬脆材料磨削損傷形成機理及控制研究主要是基于經典壓痕斷裂力學基礎理論,然而對于具有復雜顯微結構的陶瓷材料,磨削亞表面裂紋損傷形式和萌生擴展機理未必遵循經典壓痕斷裂力學理論。本文重點從陶瓷材料顯微結構層面開展碳化硅陶瓷磨削損傷形成機理及影響機制研究,深化了陶瓷類硬脆材料損傷形成機理的認識,為實現碳化硅陶瓷類材料高效低損傷加工奠定理論基礎。

         

        論文完成的主要工作及取得的成果如下:

        1提出了單顆金剛石磨粒軸向進給磨削試驗方法,從陶瓷材料顯微結構層面揭示了碳化硅陶瓷磨削裂紋損傷形成機理及跨尺度演化規律,提出了SiC陶瓷磨削亞表面晶界裂紋系統,并基于位錯塞積理論建立了晶界裂紋系統一般性的斷裂力學模型,獲得了裂紋萌生和擴展的臨界條件,建立了晶粒尺度的多晶SiC陶瓷單顆磨粒磨削有限元仿真模型,驗證了SiC陶瓷磨削亞表面晶界裂紋系統模型的準確性。

        2開展了磨削速度和磨粒切厚對SiC陶瓷磨削裂紋損傷影響研究,發現了高速磨削SiC陶瓷過程中裂紋損傷的“趨膚效應”,基于位錯理論和沖擊動力學理論,揭示了高速磨削過程中位錯密度的增加和晶界反射應力波對應力場削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂紋損傷“趨膚效應”產生的機理;根據試驗和仿真獲得的磨粒切厚對磨削表面/亞表面損傷影響規律,提出了“磨削損傷裂紋穿越晶界臨界磨粒切厚”概念,該概念的提出對SiC陶瓷高效低損傷加工具有重要指導意義。

        3開展了單顆金剛石磨粒磨削SiC陶瓷磨損試驗,發現了塑性去除、脆-塑共同去除和脆性去除方式下,金剛石磨粒分別發生磨耗磨損、微破碎磨損和大塊破碎磨損,闡明了單顆金剛石磨粒磨損方式對SiC陶瓷磨削損傷影響規律;提出了基于卷積神經網絡深度學習算法的砂輪磨損狀態識別方法,定量表征砂輪磨損狀態準確率高達88%;探明了單層釬焊金剛石砂輪磨削SiC陶瓷過程中砂輪磨損狀態演化規律,揭示了砂輪磨損狀態對磨削表面/亞表面損傷影響規律及其影響機制。

        4基于SiC陶瓷磨削損傷機理及其影響機制,提出了高速緩進深切磨削SiC陶瓷工藝,在容限淺層磨削裂紋損傷條件下,獲得更高的材料去除效率。通過與普通磨削對比試驗,發現高速緩進深切磨削表面粗糙度降低了15.5%,亞表面損傷深度降低了52.5%,材料去除率提高了近20倍,確證了高速緩進深切磨削工藝可實現SiC陶瓷高效低損傷加工。

         

        主要創新點如下:

        1從陶瓷材料顯微結構層面,揭示了SiC陶瓷磨削裂紋損傷形成機理及跨尺度的演化過程,提出了SiC陶瓷磨削亞表面晶界裂紋系統,建立了磨削亞表面晶界裂紋系統一般性的力學模型,獲得了裂紋萌生和擴展的臨界條件,促進了陶瓷類材料磨削損傷機理的深入認識,為裂紋損傷控制策略奠定了理論基礎。

        2)發現了SiC陶瓷高速磨削裂紋損傷的“趨膚效應”,揭示了高速磨削過程中位錯密度的增加和晶界反射應力波對應力場削弱作用是磨削速度對磨削裂紋損傷影響機理;提出了“磨削損傷裂紋穿越晶界臨界磨粒切厚”概念,為有限晶粒尺度損傷的碳化硅陶瓷高效低損傷磨削加工策略提供理論依據。

        3)提出了基于卷積神經網絡深度學習算法的砂輪磨損狀態識別方法,實現準確、廣泛、高效地定量表征砂輪磨損狀態,為后續砂輪磨損狀態在位檢測、甚至在線監測系統的開發提供新的思路和方法,揭示了單層釬焊金剛石砂輪磨削SiC陶瓷砂輪磨損狀態演變規律,探明了整個砂輪磨損狀態對磨削加工質量的影響,為砂輪磨削加工質量控制提供了參照依據。

        4基于碳化硅陶瓷磨削損傷機理及其影響機制,提出了高速緩進深切磨削工藝方法,獲得了表面粗糙度為0.087 μm、裂紋損傷深度為2.07 μm的低損傷加工效果,加工效率高達2.5 mm3/mm·min),較普通磨削提高了近20倍,實現了碳化硅陶瓷高效低損傷加工。

         


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