陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究

陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究 陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究 14J4 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 第4期 2011年4月 文章编号:1001—3997(2011)04—0144—02 陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究 ;e,ediscussedinthearticle,meanwhile,thecharacteristicofgrindingcrackforthece黼ofA1203-ZrO2; ;(4Y)andTiC-TiB2wereanalyzedwiththerelevantknowleofmicromechanismandthelnde ntatin一{ ;chanics.Duetotheweakinterfaceintheceramics,themicro-cl-ackandcrackdeflection,bran chingand; ;bridgingwereformedintheceramics,whichleadtodiscontinuityofcrackpropagatingincer amic.{ }Keywords:Structureceramics;Crackgrowth;Grindingcracks; 2裂纹的形成观裂 大,工件材料的变形则由最 ?来稿日期:2010-06—09?基金项目:国家自然科学基金项目资助(50672131) 第4期袁东等:陶瓷材料磨削裂纹扩展行为研究145 但受到 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层下基体的约束,产生热塑性变形,由此在表面产生的 热压应力为,且有:0~T--鱼垒 1] 当这部分热影响区表面冷却,不可恢复的表面塑性变形将 产生残余拉应力O'XT,O"XC<OrST如果达到材料的断裂极限 磨削表面就产生了热裂纹.因此,热裂纹是否形成取决于o'ST, O'XT与的相对大小.陶瓷的机械及热物理性能都将影响热裂纹 的产生.热膨胀系数大,磨削温度?高及泊松比大和断裂 强度听低的材料易发生热裂纹. 3裂纹的扩展 循环载荷会加速裂纹扩展15],而且其断裂模型与静疲劳不同. 因陶瓷材料在磨削加工中将承受拉一拉循环载荷,而且拉一拉疲 劳是典型的I型裂纹扩展.在循环拉应力作用下裂纹尖端会发生 不可逆变形,从而在裂尖诱发循环损伤区域,使裂纹向前扩展,直 至失稳断裂.同时由于陶瓷材料承受切向剪切力,引起材料的晶 体内位错累积效应,当位错累积到一个晶粒尺度时,材料开始启 裂.当晶体所受载荷超过屈服点后,位错源开始起作用.并且在剪 应力分量很大的低指数限定面上滑移.如果这样形成的位错阵向 外扩散时运动受到阻碍,则产生位错塞积,塞积的相邻位错问的 相互斥力则造成了应力集中.集中应力可以通过两种可能的途径 释放:(1)邻近障碍处的材料自身发生塑性流动;(2)塞积的前导 形成微裂纹核.另外,许多学者的研究发现疲劳裂 位错相互作用, 纹扩展不仅与现时裂纹尺寸和施加载荷状况有关,而且还取决于 以前的加载历史,需要考虑载荷序列及其交互作用的影响,其中 最主要的是在变幅载荷下会出现迟滞效应. 4磨削实验分析 选择AIO一ZrO(4Y)和TiC-TiB陶瓷用自行改装的磨床磨 削.陶瓷材料的机械物理l生能,磨削条件以及金刚石砂轮技术指 标,如表1,表2所示.工件尺寸:直径×厚度=130mmx2Omm. 表1陶瓷材料的机械物理性能 砂轮速度Vs/m?S,18.6 工件速度Vw/m?min 砂轮切深a~/Ixm 冷却液 修锐方法 砂轮直径ds/mm 砂轮宽度 金刚石磨料 金刚石浓度 结合剂类型 磨削或轻抛之后,清理磨削,尽量保持磨削后的表面形貌. 用扫描电镜观察分析磨削裂纹在晶间扩展情况. 5实验结果及分析 5.1裂纹的扩展路径 以AIO-Zr()(4Y)陶瓷为例.陶瓷内部缺陷如孑L隙,凹坑, 塌陷的存在,使得缺陷处及其周围强度较弱,另外A10和ZrO 晶间的结合强度也较弱.当载荷超过裂纹尖端扩展的临界载荷之 后,裂纹将首先沿内部缺陷和晶问扩展,形成方向不明显,尺寸较 小的裂纹.但是Al20晶粒之间的强界面对裂纹的扩展具有一定 的抑制作用,可以在一定程度阻止裂纹的连接,使得裂纹具有一 定的不连续性,并有裂纹的偏转,分支和桥联等形式,如图1所 示.随着载荷的继续增大,上述微裂纹将连接形成连续的裂纹,具 有一定的尺寸,并形成最终断裂. 图IAIO3-ZrO:(4Y)陶瓷裂纹扩展路径 5_2AI2o3__ZrO2(4Y)的磨削裂纹 A1:03-ZrO(4Y)的显微硬度很高,但断裂韧性较低,沿晶和解 理断裂是A10,磨削损伤的主要形式,磨削表面上很少见有方向明 显,尺寸较大的磨削裂纹,如图2所示. 图2A120-7r():(4Y)陶瓷的磨削裂纹 当磨削速度提高时,由于陶瓷的散热能力差,即使磨削时使 用冷却液进行冷却,磨削区的显微塑变和摩擦会在磨削表面引起 很高的磨削温度.由此在表面产生热应力,当达到材料的断裂极 限时,磨削表面产生多个细长不连续的热裂纹.裂纹的开IZlql~d,, 与磨痕的方向没有确定的取向关系,如图3所示. 图3A120r-ZrO(4Y)陶瓷的磨削热裂纹 5.3TiC—TiB2的磨削裂纹 实验所用TiC—TiB:陶瓷是以TiC为基体的共晶复合陶瓷, 具有很高的硬度和较高的断裂韧性.细小,硬质的TiB:片晶均匀 地散布在基体上,对裂纹有钉扎作用,起到增韧的效果.当裂纹在 扩展中遇到细小,硬质的TiB片晶时,扩展被抑制;当裂纹遇到 大体积的TiC晶粒时,裂纹沿其晶界继续扩展,裂纹分叉效应将 诱发TiC晶粒对裂纹的桥接.在磨削表面上很少见到裂纹,只是 泡剂芟n 0 修?一w青 146 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 第4期 2011年4月 文章编号:1001—3997(2011)04—0146—02 机器人大臂机构的动力学研究:l: 薄少军 (内蒙古科技大学,包头014OLO) Dynamicanalysisofthebigarmofrobot BOShao-jun (InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China) ?【摘要】采用虚拟样机技术,准确地测算出机器人大臂机构在整个运动周期中各关节的动力学? :参数,进而采用有限元方式对主要构件进行了受力分析,对初步设计结果得出了准确的判断,并对存在: ;的问题进行修正.; 关键词:机器人i虚拟样机有限元;分析: ?【Abstract】Inthecourseofdevelopingthevirtualprototypeoftherobot,thevirtualprototypetech一; ;niquewasappliedtoaccuratecalculatesomemotionparametersandkineticparametersofea chmotion? ;joint,finitemethod珊appliedtomakestressanalysistothemaincomponentsoftherobotanddirectlyi ?verifysomedesigningcontentabouttherobot,thenaccurateappraisementtoprimarydesign resultWtlScon一 icluded,existingproblemsweretimelyfoundandresolved.i ?Keywords:Robot;Virtualprototype;Finite-elementmethod;Analysis? j….?….?….?….?….?…..….?….?…..….?….?….?….?….?….?….?….?….?…..…..….?…..….?….?….?….?…..….?….?….?….?….?…..….?….?….?….?….?….?….?….?….二 中图分类号:TH16文献标识码:A 1引言 零件的结构形状及尺寸 在机器人大臂机构的设计过程中, 一 般是根据简单的静力学计算或经验而来,缺乏更为可靠的理论 依据,因此机构结构并不一定合理,合理可能未必达到最优.为解 决这一问题我们采用虚拟样机技术和有限单元法l】.在为机器人 实体建模后,采用ADAMS软件的系统仿真方法,得到了机器人 各节点在整个运动过程中的受力曲线,得出在最危险状态下的受 力值.根据最危险状态下的受力值,利用PATRAN/NASTRAN软 件对大臂部分的四连杆机构进行了有限元分析. 2建模与分析 在ADAMS进行运动学,动力学求解时,重点是考虑零件的 质心和质量.为了得到零件的准确质量和质心,在用ADAMS仿 真之前,通过擅长复杂零件建模的软件UG进行三维建模.由于 UG和ADAMS之间能够直接进行数据传输,这样就可直接将在 UG中构建的实体模型输入到ADAMS中进行分析. 2.1仿真模型 通过以下过程为机器人建立动力学仿真模型刚:(1)机器人 模型在UG建好模以后,将模型从UG中导人到ADAMS中;(2) 在ADAMS运行环境下,修改和完善模型,同时设置工作环境,包 括设置工作网格,重力以及修改构件的质量等;(3)完成给构件施 加旋转副,移动副以及高副约束等;(4)给仿真模型施加移动,转 动等运动驱动方式;(5)给模型施加外载荷,包括力和力矩;(6)在 对虚拟样机装配结束后,检查样机装配的正确性;(7)确定对仿真 模型的运动测量内容,主要包括角度,速度和加速度,力的测量, 根据不同的要求,可以输出仿真结果. 女来稿日期:2010--06-28?基金项目:内蒙古科技大学创新基金(2009NC030) 在磨痕的边缘或有缺陷的小范围产生较少的裂纹.TiC—TiB陶瓷 表面的裂纹细长有少量分叉现象,具有一定的方向性,为以穿晶 断裂为主兼有沿晶断裂的混合模式. 6结论 根据理论分析和实验观察得出以下结果:(1)陶瓷材料在烧 结时存在内部缺陷和初始裂纹源,另外,磨削时由于磨粒的作用也 会使陶瓷材料产生裂纹源.(2)裂纹的扩展不仅与材料的机械物理 性能有关,还与初始裂纹源的分布,数量有密切相关.初始裂纹 多,晶粒强度低,晶间结合力小处裂纹容易扩展,并发生偏转,分 支和桥联等形式,使得材料中裂纹的扩展呈现不连续性.(3)陶瓷 材料的磨削裂纹形成和扩展,材料的内部结构也是影响因素.晶 粒细小且引入增韧机制的陶瓷有更强的抵抗裂纹扩展的能力. 参考文献 1周玉.陶瓷材料学(第二版)[M].北京:科学出版社,2004 2安阁英铸件形成理论[M].北京:机械工业出版社,1989 3MinowaK,SuminoK.Stressinducedamorphizationofasiliconcrystalby mechanicalscratching[J].PhysicalReviewLetters,1992,69:320—322 4王西彬,结构陶瓷菪削表面微裂纹的研究无机材料,J996(4):658-663 5KawkuboT.OkableNStaticandcyclicfatiguebehaviourinceramics.I KitagawaH,Tanak-aT,eds.ProceedingsoftheFatigue,90.Birminam:Material ComponentEnneeringPublishsLtd,J990:71726 6M.Honegger,R.Brega,G.Schweitzer,"ApplicationofaNonlinearAdaptive Controllertoa6一DOFParallelManipulator".IntemationalConferenceon Roboties&AutomationSanFraneiseo.2oo0(8J 7AS.Hegazi.ComparisonBetweenConventionalAndHighSpeedMillingPro— cesses.JournalofEngineeringandAppliedScience,2006(1)45-61