硬脆材料的應用與發(fā)展

硬脆材料的應用與發(fā)展

硬脆材料具有良好的物理和機械特性，在航空航天和工業(yè)生產中得到了廣泛應用。但由于其高的硬度和脆性,加工表面容易產生裂紋等缺陷,傳統加工方法,如拋光,生產效率低,人為影響因素大,不易精確控制,難以實現生產過程的自動化,并且拋光液對表面造成污染,影響其表面層的物理性能。研究發(fā)現脆性材料在一定條件下,會出現類似塑性材料的加工形式,被稱為脆性材料的塑性域加工。1954年King等［1］在加工巖鹽的時候最早發(fā)現塑性域加工,在高的液體靜壓力作用下,巖鹽在摩擦磨損時表現出塑性去除方式。傳統的加工方法容易產生微裂紋和亞表面損傷層[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變形的方式從材料表面去除,加工表面無裂紋產生。因此,對于脆性材料表面質量要求高的應用場合,塑性域加工越來越受到重視。1硬脆材料的結構及聲發(fā)射信號傳統硬脆材料加工去除機理分為脆性和塑性兩類［3］。在脆性去除機理中,材料的去除是通過裂紋的傳播和交叉來完成。而塑性去除機理則是以剪切加工切屑的形式產生材料的塑性流,可分為:1)刀具在工件表面摩擦時材料產生彈性變形;2)在內部摩擦力的作用下被加工區(qū)的材料特征化為彈性和塑性流;3)典型化為切屑的去除。為獲得高質量的加工表面,硬脆材料一般應處于塑性域加工,可以獲得研磨拋光才能達到的光滑表面。Bifano［4］采用顯微壓痕法建立了硬脆材料的未發(fā)生裂紋的臨界切削深度:如果材料以塑性去除,硬脆材料的表面裂紋應<10%,此時壓痕的臨界深度:式中:α為與刀具幾何尺寸有關的常數;E為彈性模量;H為硬度;KIC為斷裂韌性。式(1)表明,要使硬脆材料加工時產生塑性域流動,磨削深度應小于臨界切削深度dc,并且dc僅與刀具幾何形狀和材料自身屬性有關。Nakasuji［5］等研究表明,由于材料自身存在缺陷,材料在應力場的作用下發(fā)生解理斷裂。隨著切削深度的增大,刀尖附近的應力場范圍也隨著增大,當應力場大于臨界應力場時,在刀尖附近產生裂紋。臨界應力場的值受到材料自身缺陷密度和位錯密度的影響。應力場的大小受切屑厚度的影響,當切削厚度足夠小,解理斷裂將會被抑制。所以,切削厚度對材料的去除方式影響很大。此外,文獻表明,在高的液體靜壓下,硬脆材料的斷裂韌性得到提高,切屑形成區(qū)裂紋的擴展受到抑制,主要表現為在相同的切削厚度下,切屑形成區(qū)的最大主應力(拉應力)下降［8］,更容易表現出塑性去除。因此,高靜壓是脆性材料產生塑性變形的必要條件。當載荷較小時,壓痕實驗也會偶然出現這種高靜壓(圖1a黑色區(qū)域),使材料表現出塑性流動(圖1a灰色區(qū)域)。因此,即使是脆性材料,在較小載荷作用下也會產生塑性變形。如果切屑厚度足夠小(圖1b),切削刃類似于一個鈍壓頭,在切削區(qū)域也會產生高的靜壓,抑制裂紋擴展,形成塑性切屑［10］。Wu和Gerk等［8，11］在研究單晶硅和鍺的壓痕實驗時發(fā)現,在高的靜壓(10~13GPa)條件下,具有立方金剛石結構的Si-I轉變成具有金屬晶體結構(β-Sn)的Si-II。如圖2所示,在點1之前,Si-I表現出各向異性的彈性行為,當發(fā)生相變時,單晶硅表現出塑性變形行為,點1和點2之間表示相變過程。點2和點3之間表示Si-II到Si-V的相變過程［12-13］。Patten等［14］研究單點金剛石切削碳化硅(SiC)時發(fā)現,其形成的切屑與金屬加工過程中的切屑相似,這種結果表明,在切削過程中存在高壓相變(HighPressurePhaseTransformations,HPPT),使SiC表現出塑性去除方式。Goel等［15］采用分子動力學研究硅的切削過程。研究表明,在納米切削過程中,硅從穩(wěn)定的金剛石立方結構(α-Si)轉變?yōu)轶w心四方結構(β-Si)。Tanaka等［16］通過分子動力學仿真研究也證明硅存在相變,相變主要來自嚴重的晶格畸變,且是產生非彈性變形的主要機制。Bifano等［17］指出磨削過程中的聲發(fā)射信號能量可以表示韌脆轉變過程,塑性域加工過程的聲發(fā)射信號能量比脆性加工大,因為塑性域加工過程伴隨較大的共價鍵斷裂,因此,聲發(fā)射信號可以用于現場監(jiān)測硬脆材料去除方式［18-20］。Liu［21］研究表明,在金剛石車削過程中,切屑厚度、切削速度和聲發(fā)射信號均方根值有很好的相關性。Lee等［20］研究表明:硅在納米劃痕實驗過程中,當劃痕深度較小時,刀具在硅單晶片表面產生耕犁和滑擦,聲發(fā)射信號均方根值較小;隨著切削深度的增大,刀具進入切削狀態(tài),聲發(fā)射信號均方根值迅速增大,表明在刀具的作用下開始生成切屑,脆性去除階段的均方根值大于切屑生成階段的均方根值。因此,聲發(fā)射信號均方根值與硅單晶片的切削狀態(tài)有很強的相關性。同時,對切削過程中的聲發(fā)射信號數據進行傅立葉變換,在不同的階段,聲發(fā)射信號的頻率不同。在彈性階段,聲發(fā)射信號頻率最低,小于300kHz;進入滑擦和耕犁階段,聲發(fā)射信號頻率增大,約為360kHz左右,切削狀態(tài)下聲發(fā)射信號頻率明顯高于彈性階段和滑擦耕犁階段,約為420kHz;進入脆性切削狀態(tài),聲發(fā)射信號的頻率比較復雜,既表現出彈性階段頻率特征,又有切削狀態(tài)的頻率特征,還有其它頻率成分。因此,聲發(fā)射信號與硬脆材料的切削狀態(tài)有很強的相關性。2硬脆材料的塑料薄膜轉化模型2.1超聲振動對硬脆材料微觀結構的影響根據式(1),當切削厚度小于臨界切削深度dc時,硬脆材料也會通過塑性方式去除,產生連續(xù)的帶狀切屑與光滑的加工表面;當切屑厚度大小臨界切削深度dc,硬脆材料由塑性變形向脆性變形轉變。根據此臨界條件,學者們做了大量實驗,提出以下幾種分析模型。Nakasuji等［5］用金剛石車削的方法研究硬脆材料的切削性能,并建立了車削過程中的切削模型,如圖3所示。切削厚度從刀尖沿圓弧到待加工表面連續(xù)變化,在刀尖附近切下的切屑最薄,材料以塑性方式去除,遠離刀尖的部分切屑較厚,出現脆性斷裂。臨界切屑厚度由式(2)計算:式中:R為刀尖圓弧半徑;x為刀尖到臨界切屑厚度的距離;f為進給量。Scattergood等［22-23］提出的車削模型,如圖4所示。根據此模型,臨界切削厚度可由式(3)計算:式中:Zeff為刀尖到韌脆轉變點的距離;R為刀尖圓弧半徑;f為進給量;dc為塑脆轉變臨界切削厚度;yc為裂紋深度。因此,只要進給量足夠小,裂紋將不會擴展到加工表面,如圖4a所示,仍可以得到光滑的加工表面。增大進給量,臨界切削厚度沿刀尖圓弧半徑向刀尖移動,同時裂紋也向刀尖附近移動,產生亞表面損傷層,如圖4b所示。令Zeff=0,則最大進給量表示:式(4)表明,增大刀尖圓弧半徑,有利于改善硬脆材料的加工性能。圓弧刃金剛石刀具切削加工硬脆材料時,切削厚度從刀尖沿刀尖圓弧半徑方向增大,影響切削過程的穩(wěn)定性。而且,為使裂紋不波及已加工表面,如圖4a所示,切削進給量一般都控制在非常小的范圍內。Yan等［10］采用如圖1b所示的直線刃切削硬脆材料,切削厚度均勻,整個切削過程更加穩(wěn)定,并可以增大切削進給量,切削厚度易于控制,臨界切削厚度由刀具主偏角和切削進給量計算。Goel［24］用金剛石車削和分子動力學方法研究了金剛石刀具車削碳化硅(6H-SiC)的過程,如圖5所示。在用DXR拉曼顯微鏡觀察已加工表面和待加工表面之間的過渡區(qū)域時發(fā)現,在刀尖附近存在臨界切削厚度,刀尖與臨界切削厚度之間呈光滑的加工表面,而遠離臨界切削厚度的區(qū)域呈現出脆性斷裂,證明了以上車削模型的正確性。實驗表明,硬脆材料在加工過程中絕大部分以脆性方式去除,但在底面出現延性域去除特征,表明在底面切削厚度較小、遠離底面處切削厚度較大,材料以脆性方式去除。實驗證明,本模型能較好地解釋實驗結果,具有良好的效果。近些年來,復合加工越來越受到重視,其中,超聲振動在硬脆材料韌脆轉變過程中的應用最受關注。許多學者的研究表明,超聲振動能明顯改善硬脆材料的切削狀態(tài),降低加工過程中的切削力,抑制裂紋擴展和獲得高質量的加工表面,超聲振動可以大大提高臨界切削厚度［25-32］。振動切削中切削力的減小被認為是增大硬脆材料韌脆轉變臨界深度的主要原因之一［26］。圖6為理想情況下的一維超聲加工模型［33］,刀具沿工件進給方向做超聲振動,刀具的位置和速度由式(5)和式(6)給出:式中:A為超聲振動振幅;ω為超聲振動角頻率,ω=2πf;v為工件進給速度。令vcrit=2πfA,如果v<vcrit,則刀具和工件周期性的分離,這種分離大大降低了切削力,延長刀具壽命,抑制裂紋的擴展,改善加工表面質量;如果v>vcrit,即最大振動速度與切削速度比值較小,切削力相對較大,刀具磨損加快,且加工工件的表面粗糙度變差［28］。馬春翔和Pen等［32，34］研究超聲橢圓振動加工硬脆材料的加工模型,如圖7所示。超聲橢圓振動與直線超聲振動相比,更容易使硬脆材料以塑性方式去除。研究發(fā)現,在一個振動周期內,刀具參與切削的時間為0.4543個周期,并且在切削區(qū)域,超聲橢圓振動產生的法向壓應力大大抑制了裂紋擴展,所以,超聲橢圓振動的加工效果明顯優(yōu)于直線超聲振動。馬春翔等［32］的研究也表明,超聲橢圓振動比直線超聲振動更易產生塑性去除,見圖8。隨著最大振動速度與切削速度比值的增大而增大,超聲橢圓振動金剛石刀具切削硬脆材料時這一效果更為顯著。但是,在最大振動速度與切削速度比值較小時,切削力相對較大,刀具磨損加快,且加工工件的表面粗糙度變差［28］。2.2切削力的解析計算適當大的法向壓力有利于產生塑性去除,如果切削力過大,產生的應力場將破壞抑制裂紋擴展的壓應力場,切削狀態(tài)轉入脆性去除狀態(tài)［35］。因此,建立切削力模型具有十分重要的意義。Siva等［36］采用Liu等的圓弧刃刀尖的力學模型,見圖9。建立圓弧刃刀尖的解析模型式(7)和(8)。根據此解析公式,Siva等計算了單晶硅(111)面的臨界切削厚為62.37nm,并通過實驗驗證,由式(7)和(8)預測的切削力與法向擠壓力和實驗數據吻合。3加工表面亞表面損傷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,加工過程中極有可能產生變形層、表面與亞表面損傷、微裂紋、相變、殘余應力與其它損傷,表面與亞表面損傷是加工過程中最容易出現的兩種主要損傷形式［37］。表面損傷主要由加工表面可見的徑向裂紋和不可見的中央裂紋及橫向裂紋造成［38］,徑向裂紋和中央裂紋與強度降低有關,橫向裂紋與材料去除有關。為通過提高材料去除率降低硬脆材料加工成本,往往受到中央裂紋和橫向裂紋損傷的限制［39］。Agarwal等［39］研究了磨削過程中的硬脆材料表面和亞表面損傷層。結果表明:增大磨削過程中的材料去除率不會影響磨削過程中的表面粗糙度和表面形貌;采用截面微觀觀測法,清晰地發(fā)現兩種類型的亞表面損傷:碎屑和裂紋,碎屑主要由晶粒脫落引起,當金剛石顆粒與工件表面接觸在晶界上產生微裂紋,微裂紋的擴展產生碎屑。實驗表明,碎屑層厚度(Chip-pingLayerThickness,CLT)和材料去除率(SpecificRe-movalRate,SRR)之間的關系可以表示CLT=-0.2095SRR+18.68;因此,當材料去除率越大,碎屑層厚度越小。在碎屑層下面存在微裂紋層,實驗結果表明,碎屑層和微裂紋破壞層總厚度隨著材料去除率的增大而增大,而碎屑層厚度隨材料去除率的增大而減小,這是由于隨材料去除率的增大,磨削力也隨著增大,導致裂紋尺寸也增大。吳東江等［40］對KDP晶體磨削加工表面層缺陷及損傷進行了研究,發(fā)現在砂輪磨削時,大粒度顆粒或磨屑在砂輪徑向力的作用下,對KDP晶體表面施加一個較大的力,很容易在晶體表面產生裂紋和破碎。裂紋的深度和形狀將影響晶體后續(xù)加工的效率和器件性能,并且,破碎是磨削加工過程中較易出現的一種損傷形式,反映出磨削加工中材料的去除方式以脆性去除為主,總體上材料以斷裂和塑性變形共存為主,但加工表面還是留下大量的微裂紋和微破碎。郭曉光等［41］對單晶硅超精密磨削過程進行分子動力學仿真,從原子空間角度觀察了微量磨削過程,隨著磨粒的運動,金剛石磨粒接觸的最外層硅原子與金剛石原子間的作用力由引力轉化為斥力,同時它們又受到內部硅原子的作用力。由于金剛石原子的結合能大,在磨削過程中不會變形磨損,因此,最外層的硅原子受到的排斥力占主導地位,使磨粒前下方的硅晶格在磨粒的作用下發(fā)生剪切擠壓變形。隨金剛石原子與硅原子之間距離的不斷減小,原子間的排斥力增加,由于磨粒作用產生的能量以晶格應變能的形式貯存在單晶硅的晶格中,因而此能量也隨力的增加而不斷增加,當應變能超過一定值且不足以形成位錯時,硅的原子鍵斷裂,規(guī)則的晶格結構將被打破,原子排列逐漸變?yōu)闊o序狀態(tài)(即非晶態(tài)),形成了非晶層。當處在磨粒下方的非晶層原子在磨粒的作用下與已加工表層斷裂的原子鍵結合,晶格進行重構,形成了已加工表面的變質層。由于受壓的原子勢能被釋放在原子無序區(qū),溫度急劇上升并逐漸向前向深處延伸和擴展,造成了單晶硅亞表面的損傷。4硬脆材料在世界上的加工中的影響因素4.1臨界切削厚度Nakasuji［5］對單晶鍺進行超精密車削實驗,發(fā)現單晶鍺表面粗糙度呈扇形分布,這是由單晶材料的各向異性造成的,所以,在相同的刀具和切削參數下,不同的晶面將表現出不同的加工性能。Yan等［42］研究了臨界切削厚度與晶向的關系,如圖10所示。臨界切削厚度與晶向有十分密切的關系。在Ge(100)晶面,當晶向角從0變到360°的過程中,臨界切屑厚度出現8個峰值和4個谷值,臨界切屑厚度在60~270nm變化。因此,晶向是影響各向異性硬脆材料塑性域加工的一個重要因素。Pattern等［43］對單晶碳化硅(6H—SiC)進行精密車削實驗。結果表明,在相同切削參數下,切削力與擠壓力隨晶向的改變而波動。因此,各向異性硬脆材料在不同晶面的加工性能不同,晶向是影響硬脆材料塑性域加工的一個重要因素。4.2刀尖圓半徑4.3韌脆轉變臨界深度Yan等［10］研究表明,適當增大刀具前角可以提高硅的韌脆轉變臨界深度,當刀具前角從0變化到-40°,硅的韌脆轉變臨界深度從70nm增大到175nm;當刀具前角從-40°變化到-80°,硅的韌脆轉變臨界深度從175nm降低到40nm,這是由于大的刀具前角使法向力增大,排屑變得困難。Blackley等［23］在研究0、-10、-30°前角加工硬脆材料時發(fā)現,臨界切削厚度從0.033μm變?yōu)?.1μm,與Yan等的研究結果一致。但是,裂紋深度yc(圖4)也從0.086μm變?yōu)?.55μm,yc/dc從2.6增大到5.5,雖然韌脆轉變臨界深度增大,但亞表面損傷層也增大。Wu等［8］采用有限元模型分析了刀具角度對加工性能的影響。研究表明,在一定范圍內增大刀具角度,硬脆材料表面的主應力(拉應力)下降,即硬脆材料韌脆轉變臨界深度增大,這是加工過程中產生較大壓應力的結果。4.4應用冷卻液對材料表面拉應力Blackley等［23］研究表明,當使用蒸餾水作為冷卻液時,臨界切削厚度向刀尖靠近(圖4),即硬脆材料的加工性能下降,所以,干切削過程優(yōu)于使用蒸餾水做冷卻液的過程。Yan等［42］的研究結果也證明干切削比用冷卻液切削加工性能好。但是,使用切削液可以降低刀具和工件之間的摩擦力,Wu等［8］采用有限元分析的方法研究表明,降低刀具和工件之間的摩擦力可以降低工件表面的拉應力,即提高硬脆材料的加工性能,Zhang等［44］采用摻有化學添加濟的水做冷卻液,研究表明,刀具和工件間的摩擦力大幅下降,加工表面質量得到大大提高。因此,冷卻液的作用機理需要進一步研究,已有成果表明,冷卻液可以減小刀具與工件之間的摩擦因數,提高刀具使用壽命。5塑性域加工的測量和分析塑性域加工是提高硬脆材料表面質量的一種有效方法,但是目前該方面的研究還處于起始階段,尚無統一認識。根據上述文獻綜述,總結出硬脆材料塑性域加工未來的研究方向。1)不同硬脆材料,特別是對于各向異性材料如單晶Si、SiC等人工晶體的塑性域加工、表面/亞表面損傷