硬脆材料的应用与发展

硬脆材料的应用与发展

硬脆材料具有良好的物理和机械特性，在航空航天和工业生产中得到了广泛应用。但由于其高的硬度和脆性,加工表面容易产生裂纹等缺陷,传统加工方法,如抛光,生产效率低,人为影响因素大,不易精确控制,难以实现生产过程的自动化,并且抛光液对表面造成污染,影响其表面层的物理性能。研究发现脆性材料在一定条件下,会出现类似塑性材料的加工形式,被称为脆性材料的塑性域加工。1954年King等［1］在加工岩盐的时候最早发现塑性域加工,在高的液体静压力作用下,岩盐在摩擦磨损时表现出塑性去除方式。传统的加工方法容易产生微裂纹和亚表面损伤层[2],然而,塑性域加工和脆性材料去除加工不同,塑性域加工是切屑以塑性变形的方式从材料表面去除,加工表面无裂纹产生。因此,对于脆性材料表面质量要求高的应用场合,塑性域加工越来越受到重视。1硬脆材料的结构及声发射信号传统硬脆材料加工去除机理分为脆性和塑性两类［3］。在脆性去除机理中,材料的去除是通过裂纹的传播和交叉来完成。而塑性去除机理则是以剪切加工切屑的形式产生材料的塑性流,可分为:1)刀具在工件表面摩擦时材料产生弹性变形;2)在内部摩擦力的作用下被加工区的材料特征化为弹性和塑性流;3)典型化为切屑的去除。为获得高质量的加工表面,硬脆材料一般应处于塑性域加工,可以获得研磨抛光才能达到的光滑表面。Bifano［4］采用显微压痕法建立了硬脆材料的未发生裂纹的临界切削深度:如果材料以塑性去除,硬脆材料的表面裂纹应<10%,此时压痕的临界深度:式中:α为与刀具几何尺寸有关的常数;E为弹性模量;H为硬度;KIC为断裂韧性。式(1)表明,要使硬脆材料加工时产生塑性域流动,磨削深度应小于临界切削深度dc,并且dc仅与刀具几何形状和材料自身属性有关。Nakasuji［5］等研究表明,由于材料自身存在缺陷,材料在应力场的作用下发生解理断裂。随着切削深度的增大,刀尖附近的应力场范围也随着增大,当应力场大于临界应力场时,在刀尖附近产生裂纹。临界应力场的值受到材料自身缺陷密度和位错密度的影响。应力场的大小受切屑厚度的影响,当切削厚度足够小,解理断裂将会被抑制。所以,切削厚度对材料的去除方式影响很大。此外,文献表明,在高的液体静压下,硬脆材料的断裂韧性得到提高,切屑形成区裂纹的扩展受到抑制,主要表现为在相同的切削厚度下,切屑形成区的最大主应力(拉应力)下降［8］,更容易表现出塑性去除。因此,高静压是脆性材料产生塑性变形的必要条件。当载荷较小时,压痕实验也会偶然出现这种高静压(图1a黑色区域),使材料表现出塑性流动(图1a灰色区域)。因此,即使是脆性材料,在较小载荷作用下也会产生塑性变形。如果切屑厚度足够小(图1b),切削刃类似于一个钝压头,在切削区域也会产生高的静压,抑制裂纹扩展,形成塑性切屑［10］。Wu和Gerk等［8，11］在研究单晶硅和锗的压痕实验时发现,在高的静压(10~13GPa)条件下,具有立方金刚石结构的Si-I转变成具有金属晶体结构(β-Sn)的Si-II。如图2所示,在点1之前,Si-I表现出各向异性的弹性行为,当发生相变时,单晶硅表现出塑性变形行为,点1和点2之间表示相变过程。点2和点3之间表示Si-II到Si-V的相变过程［12-13］。Patten等［14］研究单点金刚石切削碳化硅(SiC)时发现,其形成的切屑与金属加工过程中的切屑相似,这种结果表明,在切削过程中存在高压相变(HighPressurePhaseTransformations,HPPT),使SiC表现出塑性去除方式。Goel等［15］采用分子动力学研究硅的切削过程。研究表明,在纳米切削过程中,硅从稳定的金刚石立方结构(α-Si)转变为体心四方结构(β-Si)。Tanaka等［16］通过分子动力学仿真研究也证明硅存在相变,相变主要来自严重的晶格畸变,且是产生非弹性变形的主要机制。Bifano等［17］指出磨削过程中的声发射信号能量可以表示韧脆转变过程,塑性域加工过程的声发射信号能量比脆性加工大,因为塑性域加工过程伴随较大的共价键断裂,因此,声发射信号可以用于现场监测硬脆材料去除方式［18-20］。Liu［21］研究表明,在金刚石车削过程中,切屑厚度、切削速度和声发射信号均方根值有很好的相关性。Lee等［20］研究表明:硅在纳米划痕实验过程中,当划痕深度较小时,刀具在硅单晶片表面产生耕犁和滑擦,声发射信号均方根值较小;随着切削深度的增大,刀具进入切削状态,声发射信号均方根值迅速增大,表明在刀具的作用下开始生成切屑,脆性去除阶段的均方根值大于切屑生成阶段的均方根值。因此,声发射信号均方根值与硅单晶片的切削状态有很强的相关性。同时,对切削过程中的声发射信号数据进行傅立叶变换,在不同的阶段,声发射信号的频率不同。在弹性阶段,声发射信号频率最低,小于300kHz;进入滑擦和耕犁阶段,声发射信号频率增大,约为360kHz左右,切削状态下声发射信号频率明显高于弹性阶段和滑擦耕犁阶段,约为420kHz;进入脆性切削状态,声发射信号的频率比较复杂,既表现出弹性阶段频率特征,又有切削状态的频率特征,还有其它频率成分。因此,声发射信号与硬脆材料的切削状态有很强的相关性。2硬脆材料的塑料薄膜转化模型2.1超声振动对硬脆材料微观结构的影响根据式(1),当切削厚度小于临界切削深度dc时,硬脆材料也会通过塑性方式去除,产生连续的带状切屑与光滑的加工表面;当切屑厚度大小临界切削深度dc,硬脆材料由塑性变形向脆性变形转变。根据此临界条件,学者们做了大量实验,提出以下几种分析模型。Nakasuji等［5］用金刚石车削的方法研究硬脆材料的切削性能,并建立了车削过程中的切削模型,如图3所示。切削厚度从刀尖沿圆弧到待加工表面连续变化,在刀尖附近切下的切屑最薄,材料以塑性方式去除,远离刀尖的部分切屑较厚,出现脆性断裂。临界切屑厚度由式(2)计算:式中:R为刀尖圆弧半径;x为刀尖到临界切屑厚度的距离;f为进给量。Scattergood等［22-23］提出的车削模型,如图4所示。根据此模型,临界切削厚度可由式(3)计算:式中:Zeff为刀尖到韧脆转变点的距离;R为刀尖圆弧半径;f为进给量;dc为塑脆转变临界切削厚度;yc为裂纹深度。因此,只要进给量足够小,裂纹将不会扩展到加工表面,如图4a所示,仍可以得到光滑的加工表面。增大进给量,临界切削厚度沿刀尖圆弧半径向刀尖移动,同时裂纹也向刀尖附近移动,产生亚表面损伤层,如图4b所示。令Zeff=0,则最大进给量表示:式(4)表明,增大刀尖圆弧半径,有利于改善硬脆材料的加工性能。圆弧刃金刚石刀具切削加工硬脆材料时,切削厚度从刀尖沿刀尖圆弧半径方向增大,影响切削过程的稳定性。而且,为使裂纹不波及已加工表面,如图4a所示,切削进给量一般都控制在非常小的范围内。Yan等［10］采用如图1b所示的直线刃切削硬脆材料,切削厚度均匀,整个切削过程更加稳定,并可以增大切削进给量,切削厚度易于控制,临界切削厚度由刀具主偏角和切削进给量计算。Goel［24］用金刚石车削和分子动力学方法研究了金刚石刀具车削碳化硅(6H-SiC)的过程,如图5所示。在用DXR拉曼显微镜观察已加工表面和待加工表面之间的过渡区域时发现,在刀尖附近存在临界切削厚度,刀尖与临界切削厚度之间呈光滑的加工表面,而远离临界切削厚度的区域呈现出脆性断裂,证明了以上车削模型的正确性。实验表明,硬脆材料在加工过程中绝大部分以脆性方式去除,但在底面出现延性域去除特征,表明在底面切削厚度较小、远离底面处切削厚度较大,材料以脆性方式去除。实验证明,本模型能较好地解释实验结果,具有良好的效果。近些年来,复合加工越来越受到重视,其中,超声振动在硬脆材料韧脆转变过程中的应用最受关注。许多学者的研究表明,超声振动能明显改善硬脆材料的切削状态,降低加工过程中的切削力,抑制裂纹扩展和获得高质量的加工表面,超声振动可以大大提高临界切削厚度［25-32］。振动切削中切削力的减小被认为是增大硬脆材料韧脆转变临界深度的主要原因之一［26］。图6为理想情况下的一维超声加工模型［33］,刀具沿工件进给方向做超声振动,刀具的位置和速度由式(5)和式(6)给出:式中:A为超声振动振幅;ω为超声振动角频率,ω=2πf;v为工件进给速度。令vcrit=2πfA,如果v<vcrit,则刀具和工件周期性的分离,这种分离大大降低了切削力,延长刀具寿命,抑制裂纹的扩展,改善加工表面质量;如果v>vcrit,即最大振动速度与切削速度比值较小,切削力相对较大,刀具磨损加快,且加工工件的表面粗糙度变差［28］。马春翔和Pen等［32，34］研究超声椭圆振动加工硬脆材料的加工模型,如图7所示。超声椭圆振动与直线超声振动相比,更容易使硬脆材料以塑性方式去除。研究发现,在一个振动周期内,刀具参与切削的时间为0.4543个周期,并且在切削区域,超声椭圆振动产生的法向压应力大大抑制了裂纹扩展,所以,超声椭圆振动的加工效果明显优于直线超声振动。马春翔等［32］的研究也表明,超声椭圆振动比直线超声振动更易产生塑性去除,见图8。随着最大振动速度与切削速度比值的增大而增大,超声椭圆振动金刚石刀具切削硬脆材料时这一效果更为显著。但是,在最大振动速度与切削速度比值较小时,切削力相对较大,刀具磨损加快,且加工工件的表面粗糙度变差［28］。2.2切削力的解析计算适当大的法向压力有利于产生塑性去除,如果切削力过大,产生的应力场将破坏抑制裂纹扩展的压应力场,切削状态转入脆性去除状态［35］。因此,建立切削力模型具有十分重要的意义。Siva等［36］采用Liu等的圆弧刃刀尖的力学模型,见图9。建立圆弧刃刀尖的解析模型式(7)和(8)。根据此解析公式,Siva等计算了单晶硅(111)面的临界切削厚为62.37nm,并通过实验验证,由式(7)和(8)预测的切削力与法向挤压力和实验数据吻合。3加工表面亚表面损伤硬脆材料器件需要高的尺寸精度和良好的表面完整性,然而,加工过程中极有可能产生变形层、表面与亚表面损伤、微裂纹、相变、残余应力与其它损伤,表面与亚表面损伤是加工过程中最容易出现的两种主要损伤形式［37］。表面损伤主要由加工表面可见的径向裂纹和不可见的中央裂纹及横向裂纹造成［38］,径向裂纹和中央裂纹与强度降低有关,横向裂纹与材料去除有关。为通过提高材料去除率降低硬脆材料加工成本,往往受到中央裂纹和横向裂纹损伤的限制［39］。Agarwal等［39］研究了磨削过程中的硬脆材料表面和亚表面损伤层。结果表明:增大磨削过程中的材料去除率不会影响磨削过程中的表面粗糙度和表面形貌;采用截面微观观测法,清晰地发现两种类型的亚表面损伤:碎屑和裂纹,碎屑主要由晶粒脱落引起,当金刚石颗粒与工件表面接触在晶界上产生微裂纹,微裂纹的扩展产生碎屑。实验表明,碎屑层厚度(Chip-pingLayerThickness,CLT)和材料去除率(SpecificRe-movalRate,SRR)之间的关系可以表示CLT=-0.2095SRR+18.68;因此,当材料去除率越大,碎屑层厚度越小。在碎屑层下面存在微裂纹层,实验结果表明,碎屑层和微裂纹破坏层总厚度随着材料去除率的增大而增大,而碎屑层厚度随材料去除率的增大而减小,这是由于随材料去除率的增大,磨削力也随着增大,导致裂纹尺寸也增大。吴东江等［40］对KDP晶体磨削加工表面层缺陷及损伤进行了研究,发现在砂轮磨削时,大粒度颗粒或磨屑在砂轮径向力的作用下,对KDP晶体表面施加一个较大的力,很容易在晶体表面产生裂纹和破碎。裂纹的深度和形状将影响晶体后续加工的效率和器件性能,并且,破碎是磨削加工过程中较易出现的一种损伤形式,反映出磨削加工中材料的去除方式以脆性去除为主,总体上材料以断裂和塑性变形共存为主,但加工表面还是留下大量的微裂纹和微破碎。郭晓光等［41］对单晶硅超精密磨削过程进行分子动力学仿真,从原子空间角度观察了微量磨削过程,随着磨粒的运动,金刚石磨粒接触的最外层硅原子与金刚石原子间的作用力由引力转化为斥力,同时它们又受到内部硅原子的作用力。由于金刚石原子的结合能大,在磨削过程中不会变形磨损,因此,最外层的硅原子受到的排斥力占主导地位,使磨粒前下方的硅晶格在磨粒的作用下发生剪切挤压变形。随金刚石原子与硅原子之间距离的不断减小,原子间的排斥力增加,由于磨粒作用产生的能量以晶格应变能的形式贮存在单晶硅的晶格中,因而此能量也随力的增加而不断增加,当应变能超过一定值且不足以形成位错时,硅的原子键断裂,规则的晶格结构将被打破,原子排列逐渐变为无序状态(即非晶态),形成了非晶层。当处在磨粒下方的非晶层原子在磨粒的作用下与已加工表层断裂的原子键结合,晶格进行重构,形成了已加工表面的变质层。由于受压的原子势能被释放在原子无序区,温度急剧上升并逐渐向前向深处延伸和扩展,造成了单晶硅亚表面的损伤。4硬脆材料在世界上的加工中的影响因素4.1临界切削厚度Nakasuji［5］对单晶锗进行超精密车削实验,发现单晶锗表面粗糙度呈扇形分布,这是由单晶材料的各向异性造成的,所以,在相同的刀具和切削参数下,不同的晶面将表现出不同的加工性能。Yan等［42］研究了临界切削厚度与晶向的关系,如图10所示。临界切削厚度与晶向有十分密切的关系。在Ge(100)晶面,当晶向角从0变到360°的过程中,临界切屑厚度出现8个峰值和4个谷值,临界切屑厚度在60~270nm变化。因此,晶向是影响各向异性硬脆材料塑性域加工的一个重要因素。Pattern等［43］对单晶碳化硅(6H—SiC)进行精密车削实验。结果表明,在相同切削参数下,切削力与挤压力随晶向的改变而波动。因此,各向异性硬脆材料在不同晶面的加工性能不同,晶向是影响硬脆材料塑性域加工的一个重要因素。4.2刀尖圆半径4.3韧脆转变临界深度Yan等［10］研究表明,适当增大刀具前角可以提高硅的韧脆转变临界深度,当刀具前角从0变化到-40°,硅的韧脆转变临界深度从70nm增大到175nm;当刀具前角从-40°变化到-80°,硅的韧脆转变临界深度从175nm降低到40nm,这是由于大的刀具前角使法向力增大,排屑变得困难。Blackley等［23］在研究0、-10、-30°前角加工硬脆材料时发现,临界切削厚度从0.033μm变为0.1μm,与Yan等的研究结果一致。但是,裂纹深度yc(图4)也从0.086μm变为0.55μm,yc/dc从2.6增大到5.5,虽然韧脆转变临界深度增大,但亚表面损伤层也增大。Wu等［8］采用有限元模型分析了刀具角度对加工性能的影响。研究表明,在一定范围内增大刀具角度,硬脆材料表面的主应力(拉应力)下降,即硬脆材料韧脆转变临界深度增大,这是加工过程中产生较大压应力的结果。4.4应用冷却液对材料表面拉应力Blackley等［23］研究表明,当使用蒸馏水作为冷却液时,临界切削厚度向刀尖靠近(图4),即硬脆材料的加工性能下降,所以,干切削过程优于使用蒸馏水做冷却液的过程。Yan等［42］的研究结果也证明干切削比用冷却液切削加工性能好。但是,使用切削液可以降低刀具和工件之间的摩擦力,Wu等［8］采用有限元分析的方法研究表明,降低刀具和工件之间的摩擦力可以降低工件表面的拉应力,即提高硬脆材料的加工性能,Zhang等［44］采用掺有化学添加济的水做冷却液,研究表明,刀具和工件间的摩擦力大幅下降,加工表面质量得到大大提高。因此,冷却液的作用机理需要进一步研究,已有成果表明,冷却液可以减小刀具与工件之间的摩擦因数,提高刀具使用寿命。5塑性域加工的测量和分析塑性域加工是提高硬脆材料表面质量的一种有效方法,但是目前该方面的研究还处于起始阶段,尚无统一认识。根据上述文献综述,总结出硬脆材料塑性域加工未来的研究方向。1)不同硬脆材料,特别是对于各向异性材料如单晶Si、SiC等人工晶体的塑性域加工、表面/亚表面损伤