工程陶瓷磨削加工损伤的形成与扩展

工程陶瓷磨削加工损伤的形成与扩展

由于其高硬度和弹性，人们通常使用钻石砂来制作和加工。虽然研磨加工能够满足加工材料的尺寸、形状精度和表面光滑度的要求，但由于表面的实际性质，它往往会导致陶瓷加工表面的损坏和破坏。常见的研磨加工损坏主要包括裂缝、裂缝和残余力。由于磨损和加工造成的变形或裂缝，许多试验和研究可能无法满足对应用的要求。为了减少或消除加工表面的裂缝和裂缝，进行了大量的实验和研究。最具代表性的是美国人bifno。1应力状态的影响Bifano的延性状态加工方法基于能量优先假说,此假说对塑性变形与裂纹扩展所需的能量进行比较,小者则优先.塑性变形所需能量E另一方面,裂纹扩展所需能量Ef与裂纹的镜像表面积A式中:σ能量优先假说简单地将加工损伤与加工切深联系起来,它试图给予陶瓷材料加工过程中复杂的加工去除机理一个直接的判据.因此,该假说得到了不少人的青睐,使得陶瓷材料的延性状态加工技术风靡全球.能量优先假说将塑性变形与裂纹扩展所需能量进行比较,这在逻辑上不妥,因为裂纹扩展之前,首先得有裂纹的形成.另外,能量优先假说将塑性变形区的体积V1)应力状态的影响能量优先假说,对于材料加工过程中的应力场并未加以考虑.能量条件只是形成裂纹的必要条件,不是充分条件.应力状态对于材料的变形/损伤行为极为重要.陶瓷材料的抗拉强度远低于其抗压强度(拉压比约为1/10),拉应力更容易造成此类材料的损伤.在材料的加工过程中,加工应力状态相当复杂,拉应力的形成是不可避免的.材料的应力状态取决于诸多因素,如工件材料与刀具(砂轮)材料的机械物理性能、冷却和润滑条件等.刀具(磨料)的几何形状也很重要.在同样条件下,锐利的砂轮与磨钝后的砂轮所形成的应力状态不会相同.钝化了的磨粒即使是在实际切深为零时,也可能导致陶瓷材料产生裂纹或损伤.2)静液压力的作用在磨削加工过程所形成的应力场中,静液压力(三维压应力)是一个重要部分,其作用不可忽视.三维压应力形成于磨粒的前下方,能抑制裂纹的形成与扩展.3)速度(应变率)效应大多数材料的机械力学性能(例如抗拉强度)会随着应变率(加工速度)的增加而变化.材料的抗拉强度、硬度、屈服极限等一般会随着应变率的增加而增大;相反地,材料的韧性则会随之下降.动载条件下的材料屈服极限会达到甚至超过静载条件下2倍4)温升的影响伴随着加工速度而来的是加工区的温度升高.温度的影响在高速加工(如磨削)的条件下变得非常重要,因为材料的加工变形行为会受到温升的影响.陶瓷材料由于加工区的温升会形成表面再结晶,或形成结晶细化/非晶层.材料的机械性能,尤其是加工区材料的机械物理性能,会因温升而急剧变化.5)裂纹形成与裂纹扩展所需能量之差别裂纹的形成与扩展所需能量是不同的.一般,形成裂纹所需能量要比扩展裂纹所需能量大,也比塑性变形(位错)所需能量大.在磨削加工裂纹的形成过程中,塑性变形总是先于裂纹而发生.磨削区的应力场使得磨削区产生大量的位错运动.当沿某一方向位错运动达到材料的极限值(由材料特性而定)时,就会产生裂纹.因此,裂纹形成所需能量比塑性变形所需能量要大,当然形成裂纹的数量总是比位错的数量要少.另一方面,并非所有的裂纹都能够得到扩展.事实上,能够继续扩展的裂纹只占形成裂纹的一小部分.越是“塑性”大的陶瓷材料,能够继续扩展的裂纹数就越小.2非晶层非弹性/弹性边界微观裂纹的变化Zhang等人为了进一步理解在机械加工(尤其是磨削)过程中材料的变形行为,Zhang等人用一个单粒圆锥形金刚石对几种不同的精密陶瓷材料进行磨削划痕(单粒磨削)试验.划痕过程中的陶瓷材料的变形行为可用图1加以说明.当磨粒的切深逐渐由小加大时,工件材料的变形则由最初的弹性接触阶段进入塑性变形阶段,进一步进入到微观裂纹形成阶段(图1a).在这一阶段中,工件的加工区表层形成一层非弹性变形区(inelasticzone).非弹性变形主要由塑性变形、微观裂纹以及气孔坍塌所致,微观裂纹的形成使得非弹性区的材料结晶碎化而产生非晶层当磨粒的切深加大时,非弹性区材料由于受到磨粒的挤压而加剧侧向流动,非弹性区则进一步扩大.材料的流动在非弹性/弹性边界产生摩擦应力,使得弹性边界的材料产生拉应力,并可能在最大拉应力处或从非弹性/弹性边界的微观裂纹(一个或多个)处产生微观裂纹(见图1b).对于后者,摩擦应力给微观裂纹扩展成为宏观裂纹提供原动力.通常宏观裂纹产生于磨粒的前下方且向材料内部扩展,形成中位裂纹(mediancrack).由于中位裂纹几乎与工件表面垂直,它会对材料的强度造成直接的影响.一旦磨粒划过加工区后,卸载过程开始.在卸载过程中,非弹性区内材料的变形不再增加,其侧向流动也因此而停止,弹性区的材料也会因卸载过程的终结而产生弹性回复.弹性回复使得非弹性/弹性边界的摩擦应力改变方向,中位裂纹也由于弹性回复而趋于闭合.同时,由于弹性回复的作用,非弹性区材料受到挤压而弹性区材料在左右两侧同时受到拉应力的作用.拉应力在中位裂纹与材料自由表面之间沿非弹性边界上某一点(θ在卸载过程中,侧向裂纹并不一定沿着直线路径扩展,而是逐渐向自由表面方向弯曲(见图1d).如果侧向裂纹扩展至材料表面,则会导致材料表层碎裂(chipping)而脱落.侧向裂纹不沿着直线路径向纵深扩展而是向着材料自由表面弯曲的原因,不妨用裂纹扩展的最小阻力原理加以说明.对于侧向裂纹这样的浅表面裂纹,裂纹扩展的最小阻力明显来自于材料的自由表面.浅表面部分的材料处于近似于平面应力(planestress)状态.侧向裂纹的形成与扩展以及由此而引起的表层材料的碎裂与脆性材料加工时引起的边缘碎裂效应(edgechippingeffect)非常相似.边缘效应是指即使工件的边缘部分受到的加工应力水平不是很高,但应变水平可以很高,从而导致材料碎裂以致脱落.3研磨面微观裂纹的密度为了观察加工后陶瓷材料表面的损伤,Zhang等人对氮化硅、氧化铝、碳化硅以及氧化锆陶瓷进行了一系列单粒金刚石磨削以及金刚石砂轮磨削试验图2a为单粒磨削后热压氧化铝的磨痕断面扫描电镜照片,显示了磨削痕的形态、非弹性区、弹性区,以及发生在弹性区的宏观裂纹.从图2a来看,非弹性/弹性区的边界并不明显,因而很难断定非弹性区的存在.宏观裂纹起始于非弹性/弹性区的边界,并向远离非弹性区方向扩展.如果对该断面进行腐蚀处理,非弹性/弹性区的边界则显示出来(见图2b).从腐蚀后的断面观察,弹性区并没有因为腐蚀而发生明显的改变,而非弹性区的材料则由于腐蚀而被去除.这说明非弹性区的材料在加工过程中已经发生了质的变化.如果认为非弹性区的材料处于完全塑性变形的状态之中由于加工过程中应力场的作用,非弹性区内产生了大量的微观裂纹.如果使用常规的观测手段,这些裂纹不易被观测到.如果对该区域进行研磨处理,因磨料的作用,非弹性区的材料会由于微观裂纹的存在而松动从而被“刨出”表层.这样,非弹性区的研磨断面就会留下一个个凹坑,因而显得粗糙.与此相反,弹性区则会因研磨而变得光滑起来.也可以从另一个角度来证明非弹性区的微观裂纹现象.对用金刚石砂轮磨削加工后的氧化锆陶瓷表面进行观察,只能看到一条条磨痕(见图4a).当继续用同样方法对已加工面进行研磨(平行于加工表面),可以观察到亚表面的微观裂纹.图4b所示为磨削表面被磨去8μm后的亚表面.该亚表面经过研磨后显得很粗糙,因为留有众多凹坑,说明有大量的微观裂纹存在于亚表面.继续研磨,就会发现微观裂纹的密度下降,研磨面的凹坑数量减小.当研磨到一定深度时,微观裂纹完全消失,凹坑也随之而消失.图.4c、图4d所示分别为研磨到达12μm、16μm深时亚表面的显微照片,对照图4b、4c和4d,可见,微观裂纹的密度沿深度方向急剧减小,当深度达到16μm时,微观裂纹完全消失.由图4d所见到的几个微孔是材料内部的固有缺陷(气孔).非弹性区内微观裂纹的存在亦可通过透射电镜得到证实.由于陶瓷材料的硬脆特性,加上非弹性区的尺寸微小,透射电镜样品的制作本身就是一项挑战.Zhang非弹性区内因加工而导致大量的微观裂纹,在与非弹性区毗邻的弹性区内也必然有一定数量的微观裂纹,这一点可从图5(碳化硅)得到证实.可见,对单粒金刚石磨削后的碳化硅断面进行腐蚀,去除由于断面研磨而生成的表面覆盖层后,能够清楚地观察到弹性区内的微观裂纹.另外,非弹性区内的材料由于腐蚀的作用也同时被去除.在与非弹性区相邻的弹性区内,能够观察到众多微观裂纹.这一点由图5b放大后的局部照片看得更加清楚.这些微观裂纹有的穿过晶粒,有的穿过晶界,其走向基本不受晶粒或晶界的影响.当微观裂纹的密度增大到一定程度时,这部分材料就会质变成非弹性变形状态(完全没有弹性回复能力),其原有的机械物理性能也因此而丧失.在通常的磨削条件下,由于加工应力场造成非弹性区形成大量微观裂纹,非弹性区内的材料晶粒变得比原材料更加细小(亚微米级或更小).这些微细晶粒的比表面能较微米级晶粒的比表面能要大得多,比表面能的增加使这些微细晶粒的材料变得容易烧结,可在比正常烧结温度低得多的条件下(60%～70%)再烧结、再结晶.另外,加工应力场的作用以及加工过程中磨削区的温升(由于塑性变形及摩擦等),都为这种再烧结、再结晶的可能性提供有利条件.再烧结过程使得加工表面看上去很光滑(图3a).因为磨粒/工件接触处的高温作用,再烧结现象可由加工表面向材料内部扩散.如果非弹性区尺寸很小,再烧结可能会扩散至整个非弹性区.当非弹性区较大时,再烧结只形成于非弹性区的表层.很多情况下,由于非弹性区的材料结晶被碎化成纳米大小的结晶,在通常X射线检测下,这一层材料具有非晶材料的特征如前所述,微观裂纹形成于非弹性区内,主要是由于磨粒对于材料表面加工区产生的剪切应力所致.在非弹性区内,微观裂纹与塑性变形/位错并存,在这一点上陶瓷与金属等塑性材料截然不同.一般,陶瓷材料尤其是结构陶瓷材料,主要由共价键/离子键结合而成.这类材料表面的位错移动度极其有限,能够承受的塑性变形也就有限.因此这类材料受载后容易产生裂纹或碎裂现象.象氮化硅这样的陶瓷材料,即使是在1500℃的高温条件下所能承受的最大塑性应变也只有1%.而在金属切削过程中刀具去除材料所产生的应变(主要为剪切形态)则可达到200%甚至300%滑移(slip)是产生塑性变形的最主要机理.与金属材料不同,陶瓷材料只有为数不多的滑移系统(slipsystem),例如氧化铝陶瓷仅有两个滑移系统磨削加工过程是一个材料的损伤过程.磨料通过对被加工材料的有限度损伤而实现加工.在加工过程中,砂轮与工件接触并施加给加工区一个应力场/应变场,在非弹性区内,该应力场主要由剪切应力和等静压力(三维压应力)组成;在弹性区内,应力场主要由拉伸应力和剪切应力组成.在加工过程中,剪切应力不断地引发位错运动、微观裂纹的形成与扩展等,从而实现材料的去除.等静压力则趋于阻碍位错运动以及微观裂纹的形成与扩展.对于陶瓷加工,剪切应力、拉伸应力和等静压力是加工过程中的正反两面的矛盾体,伴随着加工过程的产生和完结.总之,剪切应力而非拉伸应力是微观裂纹形成的主因,拉伸应力是宏观裂纹形成的主因.4应力/应变场作用下的加工损伤Zhang等人用实验方法对陶瓷材料的金刚石加工过程中可能出现的微观裂纹、宏观裂纹等进行系统观测,取得大量的数据,深入了解了陶瓷材料在单粒磨削以及金刚石砂轮磨削条件下的变形.在此基础上,Zhang等人当磨粒从左向右运动时(见图6),由于磨粒与工件表面的相互作用,在工件表面形成由于加工引起的应力场/应变场,从而会形成工件表面的加工损伤,如给定切深为5μm,则当磨粒在加工氮化硅时由其初始位置向前移动6μm后,所造成的陶瓷材料损伤(这里定义为有效承载面积或承载能力损失的百分比)如图6a所示.可见,最大损伤发生在近表面处,其幅值约为11%.损伤沿深度方向迅速减小直至消失,损伤的最大深度约为15μm.当磨粒继续前移6μm后,最大损伤增加至12%左右,损伤最大深度也略有增加(见图6b).当磨粒再前进6μm后,最大损伤增加至26%而损伤最大深度并无明显改变.当磨粒继续前进4μm后,最大损伤略有增加(28%),而损伤最大深度几乎不变.对于其它陶瓷材料的加载模拟结果表明,其损伤的进展具有类似的结果图7给出了单粒金刚石磨削后的氮化硅损伤区深度(图7a)以及半宽度(图7b)的实验结果和模拟结果连续体损伤力学运用不可逆的热力学过程以及材料内部状态参数来描述复杂应力/应变场作用下材料变形行为,能够解决断裂力学等传统科学无法解决的材料受载损伤问题.自从Kachanov5宏观裂纹的形成机制在一般的磨削加工条件下,陶瓷材料的加工区可分为非弹性区和弹性区.非弹性区主要以塑性变形、微观裂纹以及气孔坍塌等为主,弹性区则以宏观裂纹为主要表现形式.微观裂纹、塑性变形的主要成因是加工过程中的剪切应力,而宏观裂