脆性材料去除機理差異性分析

1、 研究生課程論文不同脆性材料加工去除機理差異性分析課程名稱 專 題 報 告 姓 名 岳 磊 學 號 1200203023 專 業(yè) 機械制造及自動化 任課教師 沈 劍 云 開課時間 2013.2 教師評閱意見：論文成績評閱日期課程論文提交時間：2013年9月18日不同脆性材料加工去除機理差異性分析摘要：脆性材料的共性是具有高強度、高硬度、高脆性、耐磨損和腐蝕、隔熱、低密度和膨脹系數(shù)及化學穩(wěn)定性好等特點，是一般金屬材料無法比擬的。然而，脆性材料具有的低塑性、易脆性破壞、微裂紋以及加工方法選擇不當會引起工件表面層組織的破壞的缺點，使得脆性材料的加工十分困難。本文綜述了三種脆性材料：巖石、結構陶瓷、硅

2、片在不同條件下的去除機理，總結了三種材料去除機理的差異性。關鍵字：去除機理 巖石 結構陶瓷 硅片 延性域去除 脆性材料由于具有獨特性能，而得到迅速的應用。特別是，近幾年脆性材料正廣泛地用于光學、計算機、汽車、航空航天、化工、紡織、冶金、礦山機械、能源和軍事等領域。脆性材料的共性是具有高強度、高硬度、高脆性、耐磨損和腐蝕、隔熱、低密度和膨脹系數(shù)及化學穩(wěn)定性好等特點，是一般金屬材料無法比擬的。但是通常脆性材料坯料必須經過機械加工才能應用。然而，脆性材料具有的低塑性、易脆性破壞、微裂紋以及加工方法選擇不當會引起工件表面層組織的破壞的缺點，使得脆性材料的加工十分困難1。因此，如何實現(xiàn)脆性材料高質量加工

3、表面是目前先進制造技術領域一個重要的研究主題，去除機理的研究是一個重要的方向。到目前為止，國內外很多學者對典型脆性材料的加工去除機理進行了研究。但是，不同脆性材料在不同的加工方式下的去除機理有很大的差異，本文綜述了典型脆性材料：巖石、結構陶瓷、硅片的去除機理，并進行了差異性分析。1、 巖石的去除機理研究巖石的加工一般采用金剛石工具。金剛石工具去除石材的過程，實際上可以看作是大量的具有微刃的金剛石磨粒不斷地切削巖石的過程。不同的巖石由于形成原因及條件的不同，在礦物成分、晶體粒度、晶體形狀和組織結構等方面具有很大的差異，同時由于受力狀態(tài)的不同對巖石的強度特性也有很大的影響，因此巖石的斷裂、加工過程

4、是一個非常復雜的力學行為2,3。另外工具表面上金剛石磨粒的晶形、磨損狀態(tài)、出刃高度及其在節(jié)塊表面分布的不同使鋸切花崗石過程的研究變得更加復雜了。一般對巖石去除機理的研究大都采用單顆金剛石磨粒(或其它刀具)劃擦和以壓痕理論為基礎的磨削實驗研究方法。金剛石工具表面上出露的金剛石磨粒一般都具有較大的負前角，由于磨粒晶形、磨損狀態(tài)、出刃情況的不同，各磨粒具有不同的工作狀態(tài)。對于出刃高度較低、頂部磨鈍程度較大的具有較大的刃口鈍圓半徑的金剛石磨粒，通常把它對巖石的切削過程看成球形壓頭的壓痕侵入作用過程。雖然用壓頭的壓痕侵入過程來解釋金剛石工具鋸切石材過程具有很大的不足，但其基本原理仍具有一定的代表性。1.

5、 球形壓頭的作用前蘇聯(lián)學者奧斯特洛烏什柯4把球形壓頭在脆性或塑性巖石的破碎過程劃分為如下幾個階段。圖1.球形壓頭加載時脆性巖石破碎發(fā)展過程 彈性變形階段當作用在球形壓頭上的載荷P不大時(約不到0.4巖石抗壓強度)，巖石只產生彈性變形，在a, b接觸點產生兩組微細裂隙，當載荷P取消時，裂隙也隨之消失。見圖1(a)。 壓皺壓裂變形當載荷增加至0.4-0.6巖石抗壓強度時，a, b兩組裂隙向深部發(fā)展，匯交于o點，形成aob角錐體，自a,b處又產生ac, be兩組裂隙，此階段也稱疲勞破碎階段。載荷P取消后，裂隙已不能消失，故稱壓皺壓裂階段。a為錐頂角，巖石越硬，錐頂角越小。見圖1(b)。體積破碎階段載

6、荷P繼續(xù)增加，超過巖石抗壓強度，球體與巖石接觸而產生壓碎變形，ao, bo兩組裂隙自o點，裂隙串通，Aoa, Bob剪切體崩離，ac, be兩組裂隙自aob主壓力被壓碎，c點向自由面A, B方向擴展，即體積破碎階段。見圖1(c)。過程重復體積破碎以后，球形壓頭落在o點，破碎坑內留少量磨屑，在載荷P的作用下，又開始前述過程。2. 單顆金剛石磨粒切削巖石過程模型 M. Meding在細致研究了單顆粒金剛石切削石灰?guī)r、大理巖和花崗巖后，在改進前人提出的機理模型的基礎上，提出了如圖1-11所示的模型5。圖2單顆粒金剛石切削巖石的模型 該模型指出金剛石磨粒切削巖石的過程存在三個變形區(qū):第一變形區(qū)(磨粒前

7、方及其附近區(qū)域).在磨粒前方，負前角刀刃產生的壓應力使巖石產生了剪切破壞，破裂的花崗巖顆粒飛出磨粒前部，并向磨粒兩旁擠壓，擠壓程度與負前角大小、礦物晶粒及礦物的組織解理所處的方位狀態(tài)有關。第二變形區(qū)(在磨粒下方).對于石灰?guī)r和大理巖而言，在磨粒與巖石的接觸范圍內的工件表面上，形成了一個塑性變形區(qū)域，工件表面呈光滑狀。這是由壓應力形成的，在形成連續(xù)切屑時，可以從清除切屑后顯示出的工件材料本體上看出這點。強烈塑性變形層只有幾微米厚，第二變形區(qū)不僅在工件表面上產生薄層變形，而且剝裂了本體層材料。因此，切屑是通過塑性變形和受壓的薄層材料強化產生的。對于花崗巖，在磨粒和巖石接觸區(qū)的高壓以及高溫作用下，也

8、會產生局部塑性變形。第三變形區(qū)(在磨粒后方) 在與磨粒緊鄰的地方，產生了一些宏觀細小巖石顆粒組成的尾巴，還不清楚這些顆粒是否是集中在磨粒下方的已破碎的切屑或至少部分是碎屑。根據(jù)實驗結果推斷，這是由于磨粒劃過后，劃痕表面的應力由壓應力轉化為拉應力所致。隨著劃傷深度增大，磨粒后方出現(xiàn)的顆粒切屑數(shù)量增加，其大小均在微米范圍之內。該模型還反映了巖石加工表面在金剛石磨粒擠壓作用下的壓實層在磨粒的前下方起著靜水應力作用，傳遞部分切削載荷，但未能表明壓實層形成規(guī)律及其對鋸切表面形成過程的影響。由前述的巖石斷裂屈服理論和金剛石的破巖機理可以看出，金剛石工具在不同的切削條件下切削花崗石時，脆性斷裂的崩碎行為在巖

9、石破碎過程中占主導地位，但是同時只要受力情況符合一定的條件，仍然有塑性變形區(qū)存在。這一些情況都可以從我們用金剛石工具切削加工后的巖石表面形貌的掃描電鏡圖中得到驗證6。文獻7,8對鋸切花崗石過程中不同礦物成分的去除形式進行了觀察和分析，指出花崗石中云母的解離最完整，最易去除，其次是正長石和斜長石，而石英幾乎不發(fā)生解理斷裂，因此最難切割。石英含量越高，金剛石磨損越劇烈;正長石的含量若明顯偏高，則鋸切過程相對較難進行;粒度粗的花崗石較之粒度細的花崗石，在相同的鋸切條件下，更難以發(fā)生解理斷裂。2、 結構陶瓷的去除機理研究結構陶瓷作為一種新型的高性能陶瓷材料，是具有機械功能、熱和尖端科技領域。隨著科學技

10、術特別是材料科學的進步和現(xiàn)代高新技術應用領域對新型材料需求的不斷提高，大大促進了工程結構陶瓷材料的研究發(fā)展，同時也掀起了加工技術領域的一場革命。國內外很多學者對工程陶瓷的加工機理也進行了研究。陶瓷材料磨削加工過程中的材料去除機理一般都有脆性斷裂和塑性變形兩種形式，即使是在大切深緩進給磨削的情況下也會發(fā)現(xiàn)塑性耕犁的痕跡，當脆性材料的磨削深度小于其臨界磨深時，能實現(xiàn)脆性材料的塑性域磨削，以獲得超光滑的加工表面 9,10。脆性斷裂的材料去除方式是通過氣相、晶界和裂紋的成形和擴展、剝落及碎裂11等方式來完成的。而塑性變形去除方式則類似于金屬材料磨削中的切屑形成過程，其中涉及了磨粒的滑擦、耕犁和切屑形成

11、過程，材料是以剪切變形方式去除12。在陶瓷材料磨削機理的研究中大多應用壓痕斷裂力學模型或切削加工模型為基礎，結合在這些模型下的材料彈塑性變形和裂紋形成擴展的特征來解釋各種形式的材料去除機理。1. 壓痕斷裂力學模型尖壓頭對結構陶瓷的作用過程13如圖3。當尖壓頭在載荷P作用下以某一緩慢速度壓入脆性材料表面，壓應力的作用使壓頭下部的試件材料發(fā)生非彈性流動。載荷不大時，卸載后，壓痕保留，即非彈性流動結果保留。對于韌性好的某些脆性材料，壓頭側面會出現(xiàn)類似于切削塑性金屬材料那樣的隆起現(xiàn)象，但并不十分顯著。盡管這種壓痕流動是許多原因造成的，如密度、嵌雜等，但可以將這種非彈性流動稱之為顯微塑性流動。若壓痕是通

12、過材料的顯微塑性流動形成，則作用于壓頭上的載荷P與壓痕特征尺寸2a有如下關系:P=*H*a2式中:壓頭幾何因子，對于維氏壓頭，=2,H脆性材料硬度。圖3.壓頭的壓痕斷裂力學模型圖4 Vickers壓痕裂紋的形成過程裂紋產生的臨界載荷值與陶瓷材料的硬度及斷裂韌性是密切相關的。對于陶瓷磨削過程，只要磨粒上所受的力超過這一臨界值，工件就會產生側向裂紋，陶瓷材料便以斷裂方式去除，而當載荷低于此臨界值，側向裂紋就不會產生，金剛石磨粒與工件界面產生塑性流動142.切削加工模型壓痕斷裂力學模型可以成功地解釋磨削加工中陶瓷材料的裂紋形成機制并為延性域磨削提供了理論基礎，然而壓痕斷裂力學模型中壓頭與試件間的作用

13、是靜態(tài)的，而磨削過程中金剛石磨粒切削工件過程是動態(tài)的過程，因此人們就在壓痕斷裂力學模型的基礎上發(fā)展了切削加工模型，也就是移動壓頭劃擦陶瓷試件的模型。圖5.切削加工模型切削加工模型的研究通常是采取單顆粒金剛石磨削硬脆材料工件形成劃痕來解釋磨削機理，在研究中常常要用到掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡或其它一些顯微觀測方法。在對不同切削深度的劃擦過程及劃痕觀察中可以發(fā)現(xiàn)在磨削過程中，當磨粒的切深較小時，陶瓷材料在金剛石磨粒的擠壓和劃擦下產生塑性流動，表面只有塑性變形引起的隆起;而隨著切深加大，在劃擦后溝痕表面可以同時觀察到鱗狀裂紋和塑性流動，且材料的去除多為細小顆粒，這表明磨粒作用在陶瓷工件上的載荷超

14、過了陶瓷材料裂紋產生的臨界載荷，這時就會在加工表面產生中央裂紋、側向裂紋，側向裂紋也會擴展到材料表面，使部分材料以崩碎形式去除，而大部分工件材料是在磨粒的前刀面壓擠作用下以裂紋擴展形成碎屑的形式去除。而隨著切深的進一步加大，裂紋的擴展隨之加劇，并導致大規(guī)模的鏟除和破碎。3. 脆性去除機理陶瓷材料磨削過程中的脆性去除主要有晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂和晶界微破碎等幾種方式。在晶粒去除過程中，材料是以整個晶粒從工件表面上脫落，這種材料去除機理發(fā)生的同時伴有材料的剝落去除方式，它是磨削過程中所產生的橫向和徑向裂紋的擴展而形成局部剝落去除15。而磨粒前下方的材料破碎則是表面圓周應力和剪切應力分布引起的

15、各種形式脆性斷裂破壞的結果16。陶瓷材料加工表面的觀察也表明在陶瓷磨削過程也存在著晶界微破碎和材料晶粒狀位錯的去除方式。在磨削過程中，單個金剛石顆粒與陶瓷工件的接觸時產生一個晶界微裂紋的損傷區(qū)，而材料去除則是通過這些晶界微破碎處的位錯方式來完成的17。鄧朝暉教授等學者將微破碎去除解釋為粉末化去除機理18，磨削過程中磨粒引起的流體靜態(tài)壓應力所包圍的局部剪切應力場所引起的晶界和晶間微破碎的結果，陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更細的晶粒，并形成粉末域。通過磨削實驗和顯微觀測，當磨粒切削深度在亞微米級時，磨削后陶瓷工件表面微粉碎而產生的粉末堆積而不是塑性變形，且無宏觀斷裂，工件表面上粉碎層材料間的結

16、合比主體材料松散，是磨削過程接觸弧區(qū)內的磨粒與工件間的靜壓應力使其重新被壓實在工件表面。4. 塑性變形去除從材料的宏觀性能分析，結構陶瓷等脆性材料經過一定的彈性變形后即發(fā)生斷裂，而在微觀情況下，這些材料都會產生一定的塑性變形，這從陶瓷材料在壓頭載荷作用下先形成一個局部的塑性區(qū)也得到了印證19。因此在一定的加工條件下，任何脆性材料能夠以塑性流動的方式被去除，而壓痕斷裂力學模型也預測了產生橫向裂紋臨界載荷20，在低于這一臨界載荷加工條件時，材料去除將以塑性變形去除為主。而在達到臨界切削深度后，最初的塑性流動不斷地轉變?yōu)榇嘈詳嗔褷顟B(tài)，法向力在塑性區(qū)域里隨切削深度呈線性增大。而在脆性區(qū)域里，法向力波動

17、且并未增大多少，這表明了切削力和加工能量主要消耗于塑性流動21利用陶瓷等脆性材料的塑性變形去除的特點，尋找各種材料出現(xiàn)塑一脆性轉變的臨界磨粒切削深度，并在加工系統(tǒng)中應用高剛度高精度機床或者使用超細粒度金剛石砂輪控制磨粒切深，實現(xiàn)塑性域磨削(或者延性域磨削)，從加工結果看，在塑性區(qū)域被磨的試件呈現(xiàn)出更好的表面質量及強度。3、 硅片去除機理研究單晶硅片在加工和應用過程中都經歷機械作用即接觸加載，這種加載過程往往伴隨著塑性變形、微觀/宏觀斷裂、材料晶體結構的變化以及接觸體之間的機械化學作用。由于研究接觸表面層的結構特性比較困難，并且試驗量很大，會造成材料的浪費。因此，很多學者通過單晶硅片的壓痕、劃痕

18、及單點金剛石加工來研究單晶硅片機械加工表面層的損傷機理及材料去除機理22。1. 單晶硅片的壓痕分析 李東升等對單晶硅片不同壓痕載荷卜的壓痕形貌和壓痕邊緣的微裂紋進行了觀測23。研究指出載荷較小時，由于靠近壓頭和單晶硅表面接觸區(qū)有拉應力存在，壓痕邊緣向內凹入，沒有明顯的降起線;而當載荷較大時，在壓痕回復區(qū)域內有脆性同心裂紋以及蝶翅形變形區(qū)產生。當接觸區(qū)卜的拉應力最大值超過臨界值時，在壓痕對角線邊緣形成中位裂紋，中位裂紋的形成使接觸區(qū)的應力場分布復雜化，從而導致卸載后不僅有近似理想的彈性接觸應力場，還會有以拉應力分量為主的殘余應力場出現(xiàn)。彈性接觸應力場和殘余應力場的迭加使中位裂紋沿著擇優(yōu)取向的晶向

19、或者沿著與主張應力分量正交的軌跡擴向自由表面并與之相切于壓痕的兩側。最終，隨著載荷的進一步增大，中位裂紋的擴展呈半圓狀剖面的幾何形狀，構成從壓痕棱角擴展開來的表面徑向裂紋。當裂紋產生堆集并與試樣表面交截時，會導致部分表面材料的剝落。福州大學張瓊等用TEM研究了單晶硅壓痕微裂紋的形成與擴展，指出壓痕應力場使高脆性單晶硅發(fā)生滑移方式的塑性變形，從而表現(xiàn)出形態(tài)各異的位錯組態(tài):位錯圈、堆垛層錯、壓桿位錯、擴展不全位錯及位錯偶等24。2. 單晶硅片的劃痕分析L.C. Zhang不不同載荷下的金剛石劃痕進行了TEM檢測25。表明載荷較小時有非晶面產生，隨著載荷增大，有大量的位錯和面缺陷產生，當變形超過極限

20、或者劃痕過程中產生的拉應力超過硅片的強度極限時，微裂紋產生從而釋放變形產生的彈性能，材料會發(fā)生脆性斷裂。Y. Gogotsi等的研究指出26:當劃痕寬度超過5 um時裂紋產生，材料脆性去除產生較大的碎片，如果切深進一步加大，硅片將會破碎。不同形狀的劃痕器產生微裂紋的臨界切削深度不同，錐形劃痕器的臨界切削深度比球形劃痕器的臨界切削深度大。在無裂紋區(qū)域，球形劃痕的深寬比比錐形劃痕的深寬比小，這是由于球形劃痕的尖端比較鈍的原因。錐形劃痕時劃痕邊緣有較明顯的堆積，這表明單晶硅在微米級的高塑性。3.硅片延性域磨削的材料去除機理硅片延性域磨削的材料去除機理為:在高溫或高壓條件下，硅也能表現(xiàn)出流動性質即塑性

21、，在刀具刃圓半徑很小且切削深度很小的情況下，刀具尖端作用于工件表面形成局部靜水壓力區(qū)域，當靜水壓力達到10-13Gpa，有效剪切應力達到剪切強度極限，產生塑性變形(此時拉應力值沒有達到抗拉強度極限不足以產生微觀裂紋)，從金剛石晶體結構(Si-I相)轉變?yōu)榻饘俳Y構(Si-II相)，體積減小22%。當切削深度小于某一臨界值，塑性區(qū)域邊界處的拉應力小于斷裂強度，不足以產生微細裂紋，剪切應力使磨粒前下方的材料產生塑性流動進而形成切屑，從而實現(xiàn)延性域加工。加工后的表面不存在微觀裂紋，僅由晶格錯亂層和位錯層組成，而且損傷層深度很淺，一般在幾百納米以下274、 三種材料去除機理的差異性分析（1）巖石的去除過

22、程實際上是大量的具有微刃的金剛石磨粒不斷地切削巖石的過程。巖石的礦物成分、晶體粒度、晶體形狀和組織結構的巨大差異造成了去除機理的復雜性?？偟膩碚f，巖石的去除機理包括：第一變形區(qū)的剪切和擠壓作用使巖石產生了彈性變形；第二變形區(qū)的細粒巖石層產生塑性變形，使該層巖石逐層剝落；在第三變形區(qū)劃痕表面的應力由壓應力轉化為拉應力，拉應力使已經變細的巖石細粒從巖石本體去除，并隨著隨著劃傷深度增大，進一步使巖石顆粒破裂，磨粒后方出現(xiàn)的顆粒切屑數(shù)量增加，將切屑排除，從而完成了整個去除過程。在整個過程中，脆性斷裂的崩碎行為一直中占主導地位，但是同時只要受力情況符合一定的條件，仍然有塑性變形區(qū)存在（如第二變形區(qū)）。由

23、于巖石每層的不同礦物成分不同，出現(xiàn)了解離現(xiàn)象。并且花崗石中云母的解離最完整，最易去除，其次是正長石和斜長石，而石英幾乎不發(fā)生解理斷裂，因此最難切割。粒度粗的花崗石較之粒度細的花崗石，在相同的鋸切條件下，更難以發(fā)生解理斷裂（2） 陶瓷材料磨削加工過程中的材料去除機理一般都有脆性斷裂和塑性變形兩種形式，當脆性材料的磨削深度小于其臨界磨深時，能實現(xiàn)脆性材料的塑性域磨削。脆性去除主要有晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂和晶界微破碎等幾種方式。磨削過程中所產生的橫向和徑向裂紋不斷擴展使材料局部剝落；磨粒和陶瓷接觸產生的晶界微破碎裂紋區(qū)和材料晶粒狀位錯完成了材料的最終去除。當磨粒切削深度在亞微米級時，磨削過程接

24、觸弧區(qū)內的磨粒與工件間的靜壓應力使陶瓷表面的粉碎層重新被壓實在工件表面。在微觀情況下結構陶瓷經過一定的彈性變形后隨即發(fā)生塑性變形，并且在臨界切削深度以下，主要去除方式以塑性去除為主。（3）單晶硅的精密磨削過程存在4個明顯的階段:脆性去除階段、摩擦裂紋階段、延性去除階段和彈性接觸階段。存在兩個明顯的脆性延性轉變:由第一階段到第二階段，表面裂紋消失;由第二階段到第三階段，摩擦裂紋消失，進入完全的延性域切削階段。參考文獻1 魏源遷.國外硬脆材料的最新加工技術.磨床與磨削，1997(4): 24-29.2 李遠，黃輝，朱火明，徐西鵬.鋸切不同花崗石過程中鋸切力特征.金剛石與磨料磨具工程，2002, (

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