陶瓷材料加工裂纹的离散元模拟及实验研究

陶瓷材料由于其优越的力学、机械及化学等特性，在现代工业中得到了非常广泛的应用。随着工业界对陶瓷材料加工精度要求的提高，陶瓷材料精密及超精密加工技术得到了迅速发展，其加工机理的研究也成为目前研究的一个热点。降低陶瓷材料在加工过程所产生的裂纹损伤正是提高加工精度的一个难点和关键点，目前还没有一种研究手段能动态的模拟和分析加工过程的裂纹的生成与扩展。本文将离散元法应用到陶瓷材料精密加工研究中，应用离散元法建立了描述陶瓷材料力学性能的BPM(Bonded-Particle Model)模型，并采用单轴压缩试验、巴西劈裂实验、三点弯曲实验及断裂韧性等实验过程的离散元模拟对BPM模型进行了校准，确定了与陶瓷材料主要力学性能相匹配的离散元模型。在所建立的SiC陶瓷二维离散元模型上，对其压痕试验条件下的裂纹扩展进行了模拟，分析了不同压痕试验条件对裂纹扩展的影响；通过陶瓷材料的微切削过程二维离散元模拟，成功解释了陶瓷加工过程中非弹性区域的存在，并且提出了一种分析评价裂纹及非弹性区域大小的方法，对不同加工条件下裂纹的数目及深度、切屑形成以及刀具前角的影响进行了讨论；应用三维离散元法模拟了氧化铝陶瓷划痕过程，得到了加工后裂纹的最大宽度及深度与划痕深度之间的关系，与前人的实验结果相吻合，并且对氧化铝陶瓷进行了划痕实验研究，观察了表面及亚表面裂纹损伤，对比了实验结果与离散元模拟结果，证明应用离散元模拟陶瓷加工裂纹具有一定的优越性。该文研究结果将为深入研究陶瓷材料加工工艺提供新的手段。