碳化硅亚表面损伤的显微和角度研究

碳化硅亚表面损伤的显微和角度研究

作为一种低密度、高相量、低热膨胀系数、高导热性、强度和硬度的材料，rbsic是由密度低、比刚性高、热膨胀系数小、导热性好、强度和硬度高制成的空间反射镜的首选材料之一。RBSiC是一种复合材料,材料中均匀地分布着颗粒SiC相和游离Si相。这两相力学性能不同,两相之间相互作用使裂纹的产生扩展十分复杂。为了更好地理解RBSiC磨削过程中,其亚表面损伤的形成机理,分别采用截面显微观测法和角度抛光法观测了磨削后RBSiC的亚表面损伤,比较了两种方法的观测效果,并统计了亚表面损伤的分布情况。1实验研究计划1.1rbsic材料的光学显微图像实验材料为反应烧结碳化硅(reactionbondedSiC,RBSiC),由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提供。RBSiC属于颗粒增强复合材料,由一定粒径的SiC颗粒和单质游离硅组成。图1为抛光后表面的光学显微图像。从图1中可以看出:材料的组织致密,没有明显的气孔等组织缺陷的存在。材料中游离Si的质量分数约为10%,SiC大颗粒尺寸约为80μm,此外,还存在大量粒度几微米的小尺寸SiC颗粒,材料的力学性能见表1。1.2实验用金刚石砂轮磨削实验采用电镀金刚石砂轮,在自主研发的三坐标立式数控铣磨机床上进行。加工示意图和实验所用金刚石砂轮如图2所示。实验主轴转速为3000r/min,进给速度100mm/min,轴向磨削深度0.05mm。分别采用磨粒粒度尺寸为250μm和44μm的金刚石砂轮进行磨削,砂轮外径22mm,内径12mm。1.3检测亚表面损伤的方法1.3.1截面损伤的检测所谓截面显微法就是通过对与待检测表面垂直的表面进行研磨抛光,然后借助光学显微镜观察抛光表面上的损伤信息。实验工艺流程为:使用STX2602型金刚石线切割机将磨削后的试样切割成6mm×10mm×5mm并切割出同样大小的抛光硅片作为陪片;用M2BOND610专用树脂胶将磨削表面和抛光面对粘在一起,将粘贴好的试样粘贴在试样固定平台上;分别采用M10/20和M2.5/5的金刚石研磨盘对试样截面进行研磨,然后采用M0/0.5的金刚石研磨膏进行抛光;最后利用OLYMPUSMX40光学显微镜对截面损伤进行观测。图3所示为截面显微观测法的示意图。在试样的研磨抛光工序中,要求不能引入新的损伤,所以为了研究该工艺的试验效果,在每道工序后观察了截面的情况。1.3.2亚表面损伤深度测量试验角度抛光法与截面显微观测法类似,都是通过对材料进行研磨抛光观测亚表面的损伤信息。不同的是,角度抛光法中,应将试样倾斜一个小角度,通过对倾斜平面进行研磨抛光以观察亚表面损伤。这个倾斜的角度实际上起到了放大损伤测量的作用。本研究中试样倾角为11°,如果在斜面上测量出损伤的长度为L,则亚表面损伤深度d=Lsin11°。其他试验过程与显微截面法相同。试验原理和试验所用夹具如图4所示。2结果2.1研磨盘和膏研磨后截面的形貌试样的研磨抛光是截面显微法和角度抛光法的一道重要工序,要求抛光后的表面无损伤,这样才能准确分辨出亚表面损伤信息。本实验试样制作过程采用了由粗到细的加工工序,分别采用M10/20、M2.5/5金刚石研磨盘和M0/0.5的金刚石研磨膏对试样进行研磨抛光处理。为了研究各工序的加工效果,在光学显微镜下观察了各工序加工后截面的形貌,如图5所示。图5a为M10/20研磨盘加工后形貌,陪片与样片均已加工平整。由于磨粒粒径较大,所以在截面上可以看到大量研磨产生的划擦破碎,在陪片和样片结合处破碎尤其严重,无法分辨出磨削产生的亚表面损伤。图5b为M2.5/5研磨盘研磨后的形貌,大划痕和破碎基本被去除,陪片边缘整齐,证明在结合处的破碎也基本被去除。最后经M0/0.5研磨膏研磨抛光后试样截面已经有很好的表面质量,粗糙度可达17nm。如图5c所示,此时可以清楚地看到界面上的裂纹信息。2.2截面显微法观察裂纹的特点截面显微法和角度抛光法都是研究脆性材料加工亚表面损伤的基本方法,本实验对比了两种检测方法的结果的异同点。角度抛光法实际上是通过将试样倾斜一个小角度实现对损伤的放大,所以在检测较小损伤时很有优势。斜面上离陪片越近的位置,其垂直方向上距表面也越近。图6为角度抛光法和截面显微观测法检测结果。从图6a角度抛光法的观察结果中可看出:随着深度的增加,损伤可以分为3个区域。在距表面较近的位置裂纹分布密集,裂纹相互交叉形成了材料的破碎;随着深度的增加,微裂纹减少、材料破碎情况减弱,微裂纹和破碎混合存在;在材料内部较深的位置只有个别裂纹能达到这里,裂纹分散孤立存在。值得注意的是,这些突然出现的裂纹,并不意味着损伤就产生于此,也可能是由于我们观察的是斜面上的损伤信息。在斜面上测量的损伤的长度L=52μm,由此算得损伤的深度为10.5μm。从图6b的截面显微法的观察结果中可看出:图中裂纹的形态清晰,可以清楚地看到裂纹的起始和扩展情况,测量出损伤的深度为14μm。虽然角度抛光法测量损伤的精度较高,但是无法观察裂纹的实际形态、起始终止位置和分布等信息,且相对来说角度抛光法制样更困难。实验发现:在选定的参数下,材料的损伤较大,最大可达30μm以上,所以两种方法检测均较为准确。这些较大的损伤会造成材料强度的下降,所以这些大裂纹的详细情况是我们更加关心的。综合考虑,采用截面显微观测法对材料的损伤进行观察和测量。2.3亚表面损伤深度的扩展RBSiC磨削亚表面损伤特征可归纳为以下几点,如图7所示。磨削后亚表面产生的微裂纹,大部分分布在SiC大颗粒上,如图7a。由于材料中Si相和SiC相的存在,磨粒与材料接触后应力状态复杂,裂纹扩展方向随机。这些裂纹交叉扩展后,在靠近材料表面的位置产生大量的凹坑,如图7b。材料内部并非绝对均匀,而是存在一些固有缺陷。在这些相对薄弱处,材料会扩展至比较深的位置。这些裂纹数量较少,分散存在,如图7c。这些较大微裂纹也是造成材料强度下降的主要原因。在远离材料表面的位置,也存在着个别裂纹,可能是材料内部的固有缺陷在磨削力的作用下扩展而形成的。对磨削后亚表面损伤深度的分布做统计,统计的方法是在每个试样上选取一个截面观察,统计截面内损伤的深度和数目,并对测量出的损伤深度进行取整处理,然后统计各深度下损伤的数目。为了便于统计,只统计深度大于4μm的损伤,每个连续的凹坑记为一处损伤,取凹坑最低点深度。图8为磨粒粒度尺寸为250μm和44μm的砂轮磨削损伤的统计结果。从图8中可以看到:250μm砂轮磨削后材料损伤的最大值可达30μm,而44μm砂轮产生损伤的最大值为26μm。损伤的分布近似于指数型分布,主要集中在深度小于7μm区域。44μm砂轮磨削硅片的亚表面损伤深度小于7μm的损伤占总数的75.7%,而250μm砂轮为70.1%。44μm砂轮磨削后,深度小于7μm损伤的数量更多,一方面是因为250μm砂轮磨削后,一些裂纹已经扩展到更深的位置;另一方面,44μm砂轮磨削后,一些小裂纹未交叉扩展形成凹坑,而250μm砂轮磨削后凹坑较多,统计时只记为一处损伤。3微织构流域rbsic磨削的形态和分布采用截面显微观测法和角度抛光法研究了金刚石砂轮磨削反应烧结碳化硅的亚表面损伤,得到主要结论如下:(1)角度抛光法和截面显微观测法可用于检测RBSiC磨削亚表面损伤,角度抛光法测量损伤深度更加精确,截面显微观测法观察损伤的具体形态和分布更加直观。(2)RBSiC磨削产生的损伤主要分布在SiC颗粒上;损伤主要由近表面的凹