第12章 硬脆材料与难加工材料磨削

上两式分别预测了四面体压头时P与C的比例 关系及球面体压头时P与C的比例关系。 • 材料强度的降低通常是由中央 ／径向裂纹 和残余应力的扩展作用引起的。靠近接触 表面的残余压应力在次表面弹 ／塑性边界 突然跃迁为拉应力，达到0.1～0.5H （硬 度）。研究表明由压痕引起的残余应力将 使材料强度降低约30%。
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第12章 硬脆材料与难加工材料磨削
• 塑性磨削可以提高表面质量，但效率低，经济性差。一种提高塑性变形以获 得较高去除比的可能方法是提高砂轮速度。提高砂轮速度能降低切屑厚度， 从而降低每磨粒磨削力，增加塑性变形，减少强度损失。砂轮速度越高，每 粒法向磨削力，越降低。当然塑性变形的比例还与磨削温度有关。普遍认为 温度的增高会降低工件质量，然而当磨削热压氮化硅陶瓷的温度达到800。C 时，工件强度却有所提高。这是由于玻璃质状态使裂纹钝化的缘故。因此， 表面破裂比的降低和塑性的明显增加与磨削温度升高时产生的玻璃质状态有 关。使用移动热源理论，最大的磨削区温度增加值可计算如下：
•
c.塑性流动引起的材料去除——压痕断裂力学指出了在其之下不会出现横向断裂的临 界载荷力的存在。因此在临界载荷以下，塑性磨削方式是普遍存在的。塑性状态下的 磨削样件在强度上都有所提高，表面粗糙度值有所降低。使用装有超精密进给控制的 特殊平面磨床来系统地研究塑性状态下的磨削，得到与单颗磨粒上临界断裂载荷 相对应的临界切深bd可表示为：
•
除横向裂纹外，材料去除还与破碎有关。磨粒前端和其下面的材料破碎是表面圆周 应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。关于陶瓷材料破碎的产生原因， 有的研究解释为破碎是由弹性张力超过临界值以前存在着分散的裂纹引起的。还有 的认为破碎是由运动压头下连续的裂纹分支引起的。这种模型成功地预测了玻璃的 单刃磨削的破碎深度，但对Si3N4 陶瓷磨削的破碎深度的预测值却偏大。这与纯弹性 应力场的假设有关。而实际上材料局部塑性变形对Si3N4的影响很大，则导致应力强 度和破碎深度的降低。
• 式中， F’m是单位宽度磨削力，ε 是磨削力对工件的分配系数，K是导热系数,ρ是密度 ，c是工件的比热容，a是切深，ds是当量直径。因此在更高的磨削温度时， 破裂百分比的降低也可以减小强度损失。
• 将PL*值与单磨粒平均载荷相比较，可用来预测磨削过程是横向断裂过程 还是塑性切除过程。如磨削氧化硅过程中，单粒法向载荷力要小于估算 的临界载荷（约30N），这说明主要是塑性切除，而不是横向断裂。而 预算的中央裂纹临界载荷 （Si3N4是3N）要比横向裂纹小得多，这说明 塑性磨削可以产生中央裂纹和材料强度降低。
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 – 为获得最优的磨削参数，需要掌握基本的磨削机理和磨削参 数对工件表面损伤及机械性能的影响。 – 多年来对陶瓷磨削机理的研究，绝大多数的研究集中在压痕 断裂力学模型与切削模型近似。在压痕断裂力学模型近似中 磨粒与工件相互作用的模型是建立在理想化的裂纹系统和由 压头所产生的变形的基础上的。切削模型近似则包括单刃和 多刃切削力的测量，以及对磨屑的显微观察及对表面地貌的 显微观察。这两种模型的建立都为研究陶瓷磨削机理提供了 重要依据。
•
α 、η 、γ 是常数。
• 残余部分的残余应力是裂纹扩展的主要原 因。残余应力的应力强度系数 Kγ 为
•
X为常数，V1为压痕体积，V为塑性区体积。
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • a.定点压头作用下的中央/径向裂纹 • 球面压头载荷与裂纹长度的关系为
• 式中
磨削后由中央裂纹引起的断裂强度δ f可由下式估算： • Fn是与作用于压痕载荷P 类似的每个磨粒的法向磨削力。m为指数，锋锐砂轮 指数 m=0.21，磨钝砂轮指数 m=0.32。
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12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性 工程陶瓷是三大工程结构材料之一。它具有高硬度、耐热 性、耐腐蚀性、耐磨性、重量轻、脆性大的特点。陶瓷种类繁 多；工程陶瓷分氧化铝系、氧化锆系、氮化硅系、碳化硅系。 常用工程陶瓷材料特性示于表12-1。 工程陶瓷的结晶体是由共价键、离子键或两者混合组成。 Si3N4、SiC中主要是共价键， Al2O3、 ZrO2主要是离子键。共 价键强的陶瓷塑性好，即使是在高温下其破坏韧性也不降低。 离子键结合的陶瓷，其破坏强度依赖于温度的高低。共价键的 方向性使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错发展的能力， 陶瓷呈现高的硬度和弹性模量。
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • c.横向断裂和破碎 • 横向裂纹在卸载时产生于靠近塑性区底部，并在与工件表面几乎平行的面上 扩展，裂纹向自由表面的偏移导致材料的断裂去除，即形成切屑。横向裂纹 长度Cc可用简单的样板原理建立模型。用h表示工件表面到裂纹的距离，且 CC》h时，则裂纹大小CL为
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理
• 2.切削模型近似
• 切削模型近似是包括切削力测量、磨屑形貌及加工表面形貌研究在内的普通磨削机理
研究方法。磨削力测量所获得基本参数是单位磨削能，即去除单位体积材料的磨削能
• 式中 • Y是一个与裂纹几何形状和方向有关的常数
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • a.定点压头作用下的中央/径向裂纹 • 根据断裂力学理论和综合考虑载荷对 裂纹大小的影响与产生压痕后法向作 用力对强度的影响，即可得到在球面 体压头作用下的断裂强度δ f：
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • a.定点压头作用下的中央/径向裂纹 • 根据断裂力学理论和综合考虑载荷对 裂纹大小的影响与产生压痕后法向作 用力对强度的影响，即可得到在四面 体压头作用下的断裂强度δ f：
研 究 生 课 程
磨削理论与工艺
之 硬脆材料与难加工材料磨削 机械与运载工程学院 2009.05
第12章 硬脆材料与难加工材料磨削
12.1
工程陶瓷磨削
12.2
玻璃的磨削
12.3
石材的磨削加工
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•
H—材料硬度； E —材料弹性模量；Kc —材料断裂韧性； Ψ —压头相对棱边的夹角； ζ —常数。
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • a.定点压头作用下的中央/径向裂纹
• 上式所表达的关系只适用于所加载荷大于使 材料产生中央裂纹的临界状况。临界载荷P* 为
• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • b.移动压头作用下的中央/径向裂纹 • 在磨削过程中一个有效磨粒不仅承受定点压痕那样的法向载荷 ，还要承受运动方向上的切向载荷。由法向力Fn及切向力Ft共 同作用于材料表面某点所产生的弹性应力场，可用米切尔 （ Njdifmm）方法建立模型如下：
• •
λ 和μ 为勒穆弹性常数； γ θ Ψ 极坐标。
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• • 1.2 工程陶瓷磨削机理 c.横向断裂和破碎
•
由于横向裂纹引起材料去除，常用它的大小来估算磨耗比 。假设在图12-2中法向载荷P作用下单颗磨粒的去除体积与 横向裂纹大小及接触长度L成比例，则总的体积去除量VL为
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • a.定点压头作用下的中央/径向裂纹
• 中央 ／径向裂纹的大小是使用解决表面点载 荷弹性应力场的布欣尼奇 （Cpvttjoftr）方法 预测的。中央裂纹的扩展分解为弹性部分和 不可逆 （残余）部分。弹性部分产生中央裂 纹并使其在加载中向下扩展，而残余部分是 在压头回撤后使裂纹继续扩展。通过建立压 头下由弹性基体包围的扩展塑性区压痕模型 ，可获得由尖端四面体压头加载卸载后的稳 定裂纹大小C与加载力P的关系为
。任何磨粒与工件相互作用的关系机理都和单位磨削能数值一致，它取决于切削工艺 参数。
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•
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a.磨削——对各种脆性材料磨屑的观察都说明陶瓷材料的去除主要是脆性断裂的结果
b.划痕与磨削表面的显微观察——Si3N4、Al2O3陶瓷的刻划实验显示了沿沟痕的塑性 变形、横向断裂和破裂铲除现象、刀头下前方的破碎现象。当在磨削表面上观察到单 个划痕形成主要与塑性变形有关时，这可能与前面描述的断裂引起材料去除的结果相 矛盾。然而需要注意的是，磨削后遗留在表面的沟痕只相当于单一切削中最浅的部分 。而且在100。C、49%浓度的氟化氢溶液中浸蚀‘i后，绝大多数的变形条痕被去掉， 这说明多数的变形表面层由玻璃 （非晶体）材料组成。
破坏韧性是抗龟裂进展的抵抗值，陶瓷破坏韧性值 越大，抗龟裂的能力越强。破坏韧性值小的容易产生破 碎。 SiC及 Al2O3的破坏韧性小，在磨削加工中容易产 生龟裂破碎破损。 ZrO2的韧性值最大，磨削容易形成 塑性流动型的破损。 Si3N4是介在SiC与ZrO2之间，磨 削时产生龟裂破损与塑性流动破损混合形式。
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•
式中，ζ 2、ζ L、A均为常数。对于大接触载荷（P>>P0）时， 这与中央/径向裂纹很相似。
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • c.横向断裂和破碎 • 产生横向裂纹的最小临界载荷PL*为
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12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性
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12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性
12.1 工程陶瓷磨削 12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性 12.1.2 工程陶瓷磨削机理 12.1.3 工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性
12.1.4 加工条件对磨削特性的影响
12.1.5 工程陶瓷的镜面磨削 12.1.6 加工表面变质层的评价 12.1.7 工程陶瓷的复合加工 12.1.8 超声波振动磨削工程陶瓷
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• 1.2 工程陶瓷磨削机理 • 1.压痕断裂力学模型 • 压痕断裂力学模型近似是把陶瓷磨削 中的磨粒与工件的相互作用看作小规 模的压痕现象。在断裂力学中维氏四 面体压头获得的变形和断裂图形如图 12-1所示。在压头正下方是塑性变形 区，从塑性区开始形成两个主要的裂 纹系统，即中央 ／径向裂纹和横向裂 纹。中央 ／径向裂纹通常导致材料强 度降低，横向裂纹引起材料的去除。 这种模型已从静载荷扩展为切向载荷 （移动压头）的情况。