脆性材料去除机理差异性分析

研究生课程论文《不同脆性材料加工去除机理差异性分析》

课程名称专题报告

姓名岳磊

学号1200203023

专业机械制造及自动化

任课教师沈剑云

开课时间2013.2

教师评阅意见：

论文成绩评阅日期

课程论文提交时间：2013年9月18日

不同脆性材料加工去除机理差异性分析

摘要：脆性材料的共性是具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金属材料无法比拟的。然而，脆性材料具有的低塑性、易脆性破坏、微裂纹以及加工方法选择不当会引起工件表面层组织的破坏的缺点，使得脆性材料的加工十分困难。本文综述了三种脆性材料：岩石、结构陶瓷、硅片在不同条件下的去除机理，总结了三种材料去除机理的差异性。

关键字：去除机理岩石结构陶瓷硅片延性域去除

脆性材料由于具有独特性能，而得到迅速的应用。特别是，近几年脆性材料正广泛地用于光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、矿山机械、能源和军事等领域。脆性材料的共性是具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金属材料无法比拟的。但是通常脆性材料坯料必须经过机械加工才能应用。然而，脆性材料具有的低塑性、易脆性破坏、微裂纹以及加工方法选择不当会引起工件表面层组织的破坏的缺点，使得脆性材料的加工十分困难[1]。因此，如何实现脆性材料高质量加工表面是目前先进制造技术领域一个重要的研究主题，去除机理的研究是一个重要的方向。到目前为止，国内外很多学者对典型脆性材料的加工去除机理进行了研究。但是，不同脆性材料在不同的加工方式下的去除机理有很大的差异，本文综述了典型脆性材料：岩石、结构陶瓷、硅片的去除机理，并进行了差异性分析。

一、岩石的去除机理研究

岩石的加工一般采用金刚石工具。金刚石工具去除石材的过程，实际上可以看作是大量的具有微刃的金刚石磨粒不断地切削岩石的过程。不同的岩石由于形成原因及条件的不同，在矿物成分、晶体粒度、晶体形状和组织结构等方面具有很大的差异，同时由于受力状态的不同对岩石的强度特性也有很大的影响，因此岩石的断裂、加工过程是一个非常复杂的力学行为[2,3]。另外工具表面上金刚石磨粒的晶形、磨损状态、出刃高度及其在节块表面分布的不同使锯切花岗石过程的研究变得更加复杂了。一般对岩石去除机理的研究大都采用单颗金刚石磨粒(或其它刀具)划擦和以压痕理论为基础的磨削实验研究方法。金刚石工具表面上出露的金刚石磨粒一般都具有较大的负前角，由于磨粒晶形、磨损状态、出刃情况的不同，各磨粒具有不同的工作状态。对于出刃高度较低、顶部磨钝程度较大的具有较大的刃口钝圆半径的金刚石磨粒，通常把它对岩石的切削过程看成球形压头的压痕侵入作用过程。虽然用压头的压痕侵入过程来解释金刚石工具锯切石材过程具有很大的不足，但其基本原理仍具有一定的代表性。

1.球形压头的作用

前苏联学者奥斯特洛乌什柯[4]把球形压头在脆性或塑性岩石的破碎过程划

分为如下几个阶段。

图1.球形压头加载时脆性岩石破碎发展过程

①弹性变形阶段—当作用在球形压头上的载荷P不大时(约不到0.4岩石抗压强度)，岩石只产生弹性变形，在a, b接触点产生两组微细裂隙，当载荷P 取消时，裂隙也随之消失。见图1(a)。

②压皱压裂变形—当载荷增加至0.4-0.6岩石抗压强度时，a, b两组裂隙向深部发展，汇交于o点，形成aob角锥体，自a,b处又产生ac, be两组裂隙，此阶段也称疲劳破碎阶段。载荷P取消后，裂隙已不能消失，故称压皱压裂阶段。a为锥顶角，岩石越硬，锥顶角越小。见图1(b)。

③体积破碎阶段—载荷P继续增加，超过岩石抗压强度，球体与岩石接触而产生压碎变形，ao, bo两组裂隙自o点，裂隙串通，Aoa, Bob剪切体崩离，ac, be两组裂隙自aob主压力被压碎，c点向自由面A, B方向扩展，即体积破碎阶段。见图1(c)。

④过程重复—体积破碎以后，球形压头落在o点，破碎坑内留少量磨屑，在载荷P的作用下，又开始前述过程。

2.单颗金刚石磨粒切削岩石过程模型

M. Meding在细致研究了单颗粒金刚石切削石灰岩、大理岩和花岗岩后，在改进前人提出的机理模型的基础上，提出了如图1-11所示的模型[5]。

图2单颗粒金刚石切削岩石的模型

该模型指出金刚石磨粒切削岩石的过程存在三个变形区:

①第一变形区(磨粒前方及其附近区域).在磨粒前方，负前角刀刃产生的压应力使岩石产生了剪切破坏，破裂的花岗岩颗粒飞出磨粒前部，并向磨粒两旁挤压，挤压程度与负前角大小、矿物晶粒及矿物的组织解理所处的方位状态有关。

②第二变形区(在磨粒下方).对于石灰岩和大理岩而言，在磨粒与岩石的接触范围内的工件表面上，形成了一个塑性变形区域，工件表面呈光滑状。这是由压应力形成的，在形成连续切屑时，可以从清除切屑后显示出的工件材料本体上看出这点。强烈塑性变形层只有几微米厚，第二变形区不仅在工件表面上产生薄层变形，而且剥裂了本体层材料。因此，切屑是通过塑性变形和受压的薄层材料强化产生的。对于花岗岩，在磨粒和岩石接触区的高压以及高温作用下，也会产生局部塑性变形。

③第三变形区(在磨粒后方) 在与磨粒紧邻的地方，产生了一些宏观细小岩石颗粒组成的尾巴，还不清楚这些颗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。根据实验结果推断，这是由于磨粒划过后，划痕表面的应力由压应力转化为拉应力所致。随着划伤深度增大，磨粒后方出现的颗粒切屑数量增加，其大小均在微米范围之内。

该模型还反映了岩石加工表面在金刚石磨粒挤压作用下的压实层在磨粒的前下方起着静水应力作用，传递部分切削载荷，但未能表明压实层形成规律及其对锯切表面形成过程的影响。

由前述的岩石断裂屈服理论和金刚石的破岩机理可以看出，金刚石工具在不同的切削条件下切削花岗石时，脆性断裂的崩碎行为在岩石破碎过程中占主导地位，但是同时只要受力情况符合一定的条件，仍然有塑性变形区存在。这一些情况都可以从我们用金刚石工具切削加工后的岩石表面形貌的扫描电镜图中得到验证[6]。文献[7,8]对锯切花岗石过程中不同矿物成分的去除形式进行了观察和