答辩博士：戴剑博
指导教师：苏宏华 教授
论文题目：基于断裂力学的多晶碳化硅陶瓷磨削损伤机理及其影响机制研究
答辩委员会：
主席：孙方宏 教授 上海交通大学
委员：谭业发 教授 陆军工程大学
徐九华 教授 南京航空航天大学
傅玉灿 教授 南京航空航天大学
曲宁松 教授 南京航空航天大学
李 亮 教授 南京航空航天大学
苏宏华 教授 南京航空航天大学
秘书：张全利 讲师 南京航空航天大学
时间： 2020年03月22日8:30
地点： 腾讯会议
学位论文简介：
碳化硅陶瓷由于其独特的物理化学性能，在航空航天等领域具有广泛的应用。磨削加工技术是碳化硅陶瓷材料最主要的加工方法，然而，在碳化硅陶瓷磨削过程中，容易产生以裂纹为主要形式的表面/亚表面磨削损伤，降低了零件的使用寿命，增加了后续的研磨抛光工艺过程的难度。当前碳化硅陶瓷类硬脆材料磨削损伤形成机理及控制研究主要是基于经典压痕断裂力学基础理论，然而对于具有复杂显微结构的陶瓷材料，磨削亚表面裂纹损伤形式和萌生扩展机理未必遵循经典压痕断裂力学理论。本文重点从陶瓷材料显微结构层面开展碳化硅陶瓷磨削损伤形成机理及影响机制研究，深化了陶瓷类硬脆材料损伤形成机理的认识，为实现碳化硅陶瓷类材料高效低损伤加工奠定理论基础。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）提出了单颗金刚石磨粒轴向进给磨削试验方法，从陶瓷材料显微结构层面揭示了碳化硅陶瓷磨削裂纹损伤形成机理及跨尺度演化规律，提出了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统，并基于位错塞积理论建立了晶界裂纹系统一般性的断裂力学模型，获得了裂纹萌生和扩展的临界条件，建立了晶粒尺度的多晶SiC陶瓷单颗磨粒磨削有限元仿真模型，验证了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统模型的准确性。
（2）开展了磨削速度和磨粒切厚对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响研究，发现了高速磨削SiC陶瓷过程中裂纹损伤的“趋肤效应”，基于位错理论和冲击动力学理论，揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理；根据试验和仿真获得的磨粒切厚对磨削表面/亚表面损伤影响规律，提出了“磨削损伤裂纹穿越晶界临界磨粒切厚”概念，该概念的提出对SiC陶瓷高效低损伤加工具有重要指导意义。
（3）开展了单颗金刚石磨粒磨削SiC陶瓷磨损试验，发现了塑性去除、脆-塑共同去除和脆性去除方式下，金刚石磨粒分别发生磨耗磨损、微破碎磨损和大块破碎磨损，阐明了单颗金刚石磨粒磨损方式对SiC陶瓷磨削损伤影响规律；提出了基于卷积神经网络深度学习算法的砂轮磨损状态识别方法，定量表征砂轮磨损状态准确率高达88%；探明了单层钎焊金刚石砂轮磨削SiC陶瓷过程中砂轮磨损状态演化规律，揭示了砂轮磨损状态对磨削表面/亚表面损伤影响规律及其影响机制。
（4）基于SiC陶瓷磨削损伤机理及其影响机制，提出了高速缓进深切磨削SiC陶瓷工艺，在容限浅层磨削裂纹损伤条件下，获得更高的材料去除效率。通过与普通磨削对比试验，发现高速缓进深切磨削表面粗糙度降低了15.5%，亚表面损伤深度降低了52.5%，材料去除率提高了近20倍，确证了高速缓进深切磨削工艺可实现SiC陶瓷高效低损伤加工。
主要创新点如下：
（1）从陶瓷材料显微结构层面，揭示了SiC陶瓷磨削裂纹损伤形成机理及跨尺度的演化过程，提出了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统，建立了磨削亚表面晶界裂纹系统一般性的力学模型，获得了裂纹萌生和扩展的临界条件，促进了陶瓷类材料磨削损伤机理的深入认识，为裂纹损伤控制策略奠定了理论基础。
（2）发现了SiC陶瓷高速磨削裂纹损伤的“趋肤效应”，揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是磨削速度对磨削裂纹损伤影响机理；提出了“磨削损伤裂纹穿越晶界临界磨粒切厚”概念，为有限晶粒尺度损伤的碳化硅陶瓷高效低损伤磨削加工策略提供理论依据。
（3）提出了基于卷积神经网络深度学习算法的砂轮磨损状态识别方法，实现准确、广泛、高效地定量表征砂轮磨损状态，为后续砂轮磨损状态在位检测、甚至在线监测系统的开发提供新的思路和方法，揭示了单层钎焊金刚石砂轮磨削SiC陶瓷砂轮磨损状态演变规律，探明了整个砂轮磨损状态对磨削加工质量的影响，为砂轮磨削加工质量控制提供了参照依据。
（4）基于碳化硅陶瓷磨削损伤机理及其影响机制，提出了高速缓进深切磨削工艺方法，获得了表面粗糙度为0.087 μm、裂纹损伤深度为2.07 μm的低损伤加工效果，加工效率高达2.5 mm3/（mm·min），较普通磨削提高了近20倍，实现了碳化硅陶瓷高效低损伤加工。
