脆性材料延韧精磨表层多维物理性能强化机理
批准号:
52075335
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
张雪萍
依托单位:
学科分类:
加工制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张雪萍
中文摘要
延韧精磨既能提高脆性零件表面精度,又能增强其表层强度/塑性/韧性,是脆性零件获得优越抗疲劳性能的有效技术途径,也是实现精密零件控形-控性的科学机制。课题针对大型典型脆性零件的服役性能需求,探索脆性材料延韧精磨表层多维物理性能形成和耦合强化机理。理论上,精磨表层形成的静水压应力能使脆性材料在延韧域去除,可避免磨削表层脆性破裂,有利于形成细化晶粒、残余压应力和位错增殖。研究拟耦合脆性材料本构方程,脆韧转换机理、单磨粒的摩擦-滚压-犁削-切削模型、多磨粒层次关联方程、高效磨削理论、多尺度性能仿真与测试技术,探索微磨粒和磨削控制参数与磨削表层塑性-强度-韧性等多维物理性能的映射关系,建立以精磨表层性能强化为目标的脆性零件多维物理性能预测和控制模型,克服磨削诱发的零件表层热损伤、相变和裂纹萌生扩展。基于实验实证、参数敏感度分析和抗疲劳性能评估,获得脆性材料高效延韧精磨表层物理性能强化的科学控制方法。
英文摘要
Ductile finishing grinding can not only improve the surface finish and geometric accuracy of brittle parts, but also enhance their surface strength, plasticity and toughness. It is an effective technical approach to achieve superior fatigue resistance performance of brittle parts, and it is also a scientific mechanism to acquire "multi-controlling of geometrical and physical properties" of brittle parts generated from finishing grinding. Based on the service performance requirements of typical large-scale brittle parts, the project intends to explore the formation of multi-physical properties and the coupling strengthening mechanism on the machined surface of brittle materials subjected to ductile finishing grinding. In theory, the machined surface layer of brittle parts can produce hydrostatic triaxial-compressive stress field to remove brittle material in ductile region, therefore it helps avoid the brittle fracture of the surface layer, favorable for grain refinement, dislocation multiplication and compressive residual stress formation. In this study, the constitutive equations of typical brittle materials, brittle ductile transition mechanism, single abrasive grinding-abrasives distribution hierarchical association multi-model, high-speed grinding theory and multi-scale performance testing technology are coupled to explore the formation mechanism of multi- physical properties of brittle materials, such as hydrostatic triaxial-compression, grain refinement, dislocation multiplication, and establish the surface performance enhancement by finishing grinding process as the main objective. The predictive controlling model of the surface integrity of the brittle parts enable to overcome the surface thermal damage, material transformation and crack initiation and propagation induced by high efficiency grinding of brittle components. Based on the experimental validation, parameter sensitivity analysis and fatigue resistance evaluation, this research will explore the scientific control method for the surface performance enhancement of brittle materials generated from high-efficiency ductile finishing grinding.
针对应用于涡轮叶片和压气机盘等严苛服役条件下钛合金零件,以“准静态→高应变率→低温-高应变率相耦合”的典型加工状态为研究路线,探究了在高速和低温冷却条件下钛合金精密切削表面韧-脆转化机制,以及由于“晶粒取向-相变-晶粒度-位错密度-孪晶效应”所诱发的微观力学性能强化机理,实现了低温诱导孪晶效应与高速切削大应变诱导的位错密度增殖的耦合力学性能强化效应。. 创新性地揭示了磨削加工中被忽视和遮蔽于传统磨削划擦-犁削-切削机理下的微滚压机理。以磨削过程中磨粒微滚压效应的形成、强弱转变、以及对磨削表面的强化机理为研究目标,基于单磨粒微滚压状态的形成机理和对磨削表面的力-热耦合作用,探究了磨粒微滚压形成条件,为实现脆性材料的延韧性去除和形成磨削表面晶粒细化、残余压应力和位错增殖的强化机理奠定了理论基础。. 结合精密磨削加工过程中磨削弧区多磨粒空间位置分布特征,建立磨削弧区域多磨粒运动状态预测模型,探究了磨削弧区多磨粒运动状态、接触应力和温度分布对加工表面塑性变形、残余应力和表面粗糙度的影响规律,揭示出磨削加工中多磨粒运动状态对磨削表面力学性能强化和表面形貌演变的作用机制。通过建立微磨粒和磨削控制参数与磨削表层塑性-强度-韧性等多维力学性能的映射关系预测和控制模型,提供了实现了单磨粒-宏观磨削表面性能的多尺度和多维度机械性能优化的工艺技术方法。. 作为精密切削/磨削表面完整性提升和改善的应用研究进行了两个领域的尝试:1)以发动机缸体缸孔珩磨工艺优化为精密磨削性能强化的应用领域之一,通过量化油石表面随机磨粒与工件的复杂交互状态、珩磨头在缸孔内部的自由浮动行为、各油石材料去除状态的动态关联性以及珩磨微观纹理创成中油石与缸孔内壁的实际接触状态,实现了发动机缸体缸孔珩磨宏微观表面性能的多尺度预测和珩磨工艺技术提升。2)以锂电池的电极阴极“脆性-韧性-脆性”复合材料剪切断面的表面完整性为应用领域之一,基于高频振动切削有限元模型探究并建立了石墨的脆性断裂与铜箔的塑性与韧性断裂之间的力学行为,及其与复合材料的微观晶粒大小和取向之间的耦合关系模型。为复合材料的微观结构和几何尺度之间的工艺协调提供了理论依据。
钛合金超低温高速切削表面孪晶强化机理
-
批准号:51675339
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:62.0万元
-
批准年份:2016
-
负责人:张雪萍
-
依托单位:
基于“热-力-相变”耦合机理的精密切削表面残余应力建模
-
批准号:51175331
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:60.0万元
-
批准年份:2011
-
负责人:张雪萍
-
依托单位:
淬硬零件滚动接触界面性能衰退机理的工艺控制方法研究
-
批准号:50705061
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:20.0万元
-
批准年份:2007
-
负责人:张雪萍
-
依托单位:
国内基金
海外基金