碳化硅陶瓷的磨削損傷特性

關(guān)鍵詞碳化硅陶瓷；磨削加工；磨粒未變形最大磨屑厚度；表面/亞表面損傷中圖分類(lèi)號(hào) TB32;TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2025）02-0176-13DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0030收稿日期 2024-02-19修回日期 2024-05-16

碳化硅陶瓷因具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性、高硬度以及較低的熱膨脹系數(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子設(shè)備、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]磨削加工是實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷高效、高性能制造的典型加工方法[3，但由于材料本身的高脆性及其內(nèi)部存在的大量氣孔、位錯(cuò)、晶界等結(jié)構(gòu)，并且碳化硅陶瓷的磨削損傷受多種因素影響，其在磨削加工中容易產(chǎn)生破碎、裂紋等缺陷，這不僅嚴(yán)重影響材料加工質(zhì)量，同時(shí)也使得研究難度增加[4。為探究碳化硅陶瓷磨削過(guò)程中的損傷形式，眾多學(xué)者對(duì)碳化硅陶瓷的磨削加工過(guò)程展開(kāi)了研究[]。

HUANG等研究了先進(jìn)陶瓷（氧化鋁、氧化鋁-二氧化鈦和四方氧化鋯陶瓷）在高速深磨條件下的加工特性和表面完整性，同時(shí)探討了研磨過(guò)程中涉及的材料去除機(jī)制。研究表明：氧化鋁和氧化鋁-二氧化鈦陶瓷研磨過(guò)程中材料去除的主要機(jī)制是晶粒移位或沿晶界的橫向裂紋，而四方氧化鋯陶瓷的去除是通過(guò)局部微斷裂和韌性切削實(shí)現(xiàn)的，其去除機(jī)制的區(qū)別主要是由材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致。AGARWAL等[利用金剛石砂輪在磨床上磨削碳化硅陶瓷，研究其磨削特性以及表面、亞表面加工損傷，并通過(guò)掃描電子顯微鏡將表面粗糙度、表面和亞表面損傷深度與磨削參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：材料的去除機(jī)制主要是微裂紋沿晶界擴(kuò)展，從而導(dǎo)致晶粒的脫落；通過(guò)增加磨削加工速率，可以得到所需的表面完整性。戴劍博等[8]使用單顆金剛石磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)建立了碳化硅陶瓷表面劃痕形貌隨磨屑厚度變化的演變模型，結(jié)果表明碳化硅陶瓷材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)在低磨屑厚度時(shí)對(duì)裂紋拓展有一定影響。MAO等[]發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小磨削深度、提高砂輪線(xiàn)速度等方法，可有效降低立方氮化硼（cBN）顆粒的破碎率，并且隨著磨粒未變形最大磨屑厚度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)磨屑厚度）的增大，材料表面粗糙度也快速增大。上述研究成果為碳化硅陶瓷的磨削加工提供了寶貴的理論支撐。

碳化硅陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及磨削工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)材料損傷產(chǎn)生影響，但磨削加工完成后，材料表面多是密集劃痕以及顆粒破裂損傷，而對(duì)碳化硅陶瓷內(nèi)部斷裂結(jié)構(gòu)的觀(guān)察較為困難。針對(duì)此現(xiàn)象，本研究設(shè)置單顆粒劃擦和金剛石砂輪磨削2個(gè)實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)晤w粒劃擦實(shí)驗(yàn)主要探究碳化硅陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異以及臨界斷裂強(qiáng)度，并結(jié)合有限元仿真進(jìn)一步揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)損傷拓展的影響；磨削實(shí)驗(yàn)主要探究不同磨削工藝參數(shù)下碳化硅陶瓷表面/亞表面的損傷形式與變化趨勢(shì)。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1樣品制備與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用工件為無(wú)壓燒結(jié)制成的六方晶體 a 碳化硅，其尺寸為 20mm×20mm×5mm ；工件經(jīng)過(guò)粗磨處理，其初始表面粗糙度 R_a 為 0.493μm 。使用基恩士VHX-6000超景深顯微鏡觀(guān)察工件的顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示，碳化硅陶瓷主要由大量隨機(jī)分布的碳化硅顆粒組成，并且包含氣孔、晶界等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。使用安東帕STEP300壓痕劃痕儀開(kāi)展單顆粒劃擦實(shí)驗(yàn)，所用壓頭為頂角為 60^° 、粒徑為 0.25mm 的維氏金剛石壓頭，劃擦實(shí)驗(yàn)采取變載荷方式，載荷由 _0N 增大到 25N 劃擦實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，使用研磨盤(pán)對(duì)碳化硅陶瓷表面進(jìn)行精拋處理，使其表面粗糙度 R_alt;100nm 。磨削實(shí)驗(yàn)在德國(guó)DMC650V高速立式加工中心上進(jìn)行（如圖2所示），使用ER25刀柄以立式方式安裝金剛石小磨頭砂輪，磨頭直徑為 10mm 、長(zhǎng)度為 10mm ，利用其外圓面對(duì)工件進(jìn)行磨削加工。所用磨削液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 的水溶性乳化液，加工過(guò)程中的三軸力信號(hào)由置于工件夾具下方的力傳感器實(shí)時(shí)采集。為了兼顧加工質(zhì)量及效率，實(shí)驗(yàn)采用粒度為 300# （粒徑為 48μm ）的燒結(jié)金剛石磨頭，其不僅能實(shí)現(xiàn)材料的精磨要求（粒度大于200#為粗磨），同時(shí)擁有高粒徑磨頭的特征，可以有效提高磨削效率。

1.2材料加工損傷檢測(cè)方法

碳化硅陶瓷加工損傷可分為表面損傷和亞表面損傷。碳化硅陶瓷表面損傷利用JSM-IT500HR電子顯微鏡以及VHX-6000超景深顯微鏡觀(guān)測(cè)其磨削表面形貌后測(cè)得；亞表面損傷檢測(cè)則采用截面拋光法，具體操作步驟為：將碳化硅陶瓷用石蠟粘在拋光夾具上，放置在A(yíng)LPHA-606型研拋機(jī)上并與水平面保持 30^° 夾角，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)置為 100r/min ，分別采用粒徑為9、3、1μm 的金剛石拋光液拋光，獲得超光滑斜面，如圖3所示，之后使用相同型號(hào)電鏡測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)共采用8組工藝參數(shù)對(duì)同一批次樣品進(jìn)行磨削加工，所用磨頭轉(zhuǎn)速為 3000，6500，10000r/min （根據(jù)磨頭直徑可換算為磨削速度 u_s 為1.57、3.41、5.23m/s ），進(jìn)給速度 u_w 分別為10、40、70、 100mm/min 磨削深度 a_p 分別為 10，20，30μm ，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

2 理論分析

2.1單顆粒劃擦損傷模型

碳化硅陶瓷獨(dú)特的制備流程使其成品中包含大量微觀(guān)結(jié)構(gòu)，包括不同的晶粒形狀、晶界、石墨相以及氣孔等，如果直接將經(jīng)典壓痕斷裂力學(xué)模型應(yīng)用其中，而忽略碳化硅陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)加工損傷的影響，會(huì)存在一定不合理性。具體分析碳化硅陶瓷內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，可以更好地理解哪些缺陷是關(guān)鍵的，有助于優(yōu)化碳化硅陶瓷的性能。根據(jù)赫茲接觸理論[11]，當(dāng)一個(gè)球形磨粒壓入工件表面時(shí)，假設(shè)接觸面積是有限的，則此次接觸可產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力 σ_max 為：

式中： F 為作用于磨粒上的總垂直力， a 為接觸區(qū)域的半徑。

對(duì)于碳化硅晶粒，其極限載荷 σ_c 可用其斷裂韌性計(jì)算得到，公式為[12]：

式中： K_IC 為斷裂韌性， A 為微觀(guān)裂紋長(zhǎng)度。

對(duì)于碳化硅陶瓷晶界，其臨界斷裂強(qiáng)度 σ_a 由受載荷處的應(yīng)力因子 K 決定，而 K 又由剪切應(yīng)力 σ_F^S 、最大拉應(yīng)力 σ_M^N 以及殘余應(yīng)力 σ_R 提供的應(yīng)力因子合成。設(shè)有一長(zhǎng)、寬均為 l 的正方形區(qū)域，以其受載荷點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系 r ，以 c 為極軸半徑，在此區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力因子計(jì)算公式為[13]：

式中： K_F 為剪切應(yīng)力提供的應(yīng)力因子， K_M 與 K_R 同理; f_F（C/l） 是與裂紋尺寸相關(guān)的量綱為1的函數(shù)， f_R（C/l） 與 f_M（C/l） 同理。反推碳化硅陶瓷晶界理論臨界斷裂強(qiáng)度 σ_a 計(jì)算公式為：

碳化硅陶瓷晶界的組成結(jié)構(gòu)受限于碳化硅顆粒的生長(zhǎng)方式，加上碳化硅顆粒排列具有不均勻性，容易在邊界處產(chǎn)生位錯(cuò)、滑移等現(xiàn)象，這大幅降低了晶界處的理論臨界斷裂強(qiáng)度。石墨相是由碳化硅在高溫環(huán)境中碳單質(zhì)析出形成的，其極限載荷取決于石墨顆粒的形態(tài)、大小、分布以及所處位置，因此難以估計(jì)。但普遍來(lái)說(shuō)，石墨相的理論臨界斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳化硅顆粒的理論臨界斷裂強(qiáng)度。

當(dāng) 0lt;σ_maxlt;σ_a 時(shí)，材料去除產(chǎn)生的裂紋不會(huì)繼續(xù)拓展，裂紋系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；當(dāng) σ_alt;σ_maxlt;σ_c 時(shí)，裂紋會(huì)沿著晶界組織延伸，直至應(yīng)力被消耗至 lt;σ_a ，此時(shí)的裂紋深度也為亞表面損傷最大深度；當(dāng) σ_maxgt;σ_c 時(shí)，已達(dá)到碳化硅顆粒的極限載荷且遠(yuǎn)大于晶界、石墨相等微觀(guān)結(jié)構(gòu)的極限載荷，此時(shí)破碎面積增大，這是碳化硅陶瓷磨削加工過(guò)程中更容易產(chǎn)生裂紋的重要原因。當(dāng)碳化硅陶瓷發(fā)生破碎時(shí)，材料屬于脆性去除。這一區(qū)域存在中位/徑向裂紋以及橫向裂紋2種裂紋形式，如圖4所示。

根據(jù)硬脆材料亞表面損傷深度模型，中位裂紋深度 c_m 以及橫向裂紋深度 c_t 的理論方程為[14]：

c_m=K₁P^2/3

c_t=K₀P^1/2

式中： K₁ 和 K₀ 為理論系數(shù)， P 為壓痕載荷。

假設(shè)亞表面損傷深度 d 和表面粗糙度的最大值 S_z 分別等同于中位裂紋深度和橫向裂紋深度，綜合式（5）、式（6）可消除參數(shù) P ，則亞表面損傷深度表達(dá)式為[15]：

2.2磨粒磨屑厚度

SOLHTALAB等[通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)證明：磨屑厚度與亞表面損傷有直接關(guān)系，當(dāng)其足夠小時(shí)，可以對(duì)材料實(shí)現(xiàn)塑性域的超精密磨削，從而減小磨削加工帶來(lái)的亞表面損傷。閻秋生等通過(guò)小直徑砂輪磨削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：減小單顆磨粒磨屑厚度和增大磨粒磨削弧長(zhǎng)可以抑制砂輪磨粒的脫落，從而充分發(fā)揮砂輪磨削性能并降低由砂輪變形帶來(lái)的形狀加工誤差。以上研究說(shuō)明在磨削加工過(guò)程中，磨屑厚度對(duì)于材料損傷起到關(guān)鍵作用。為簡(jiǎn)化磨削過(guò)程并明確影響材料磨削損傷的決定性因素，將砂輪及磨削工藝參數(shù)的多因素變量轉(zhuǎn)換為磨粒磨屑厚度變化對(duì)磨削損傷的影響。肖玉斌等[18]通過(guò)小直徑cBN砂輪磨削實(shí)驗(yàn)證明砂輪表面磨粒的實(shí)際形貌分布是計(jì)算磨屑厚度的重要因素，所以在計(jì)算磨屑厚度前，需對(duì)砂輪表面磨粒實(shí)際形貌進(jìn)行測(cè)量。使用基恩士VHX-6000超景深顯微鏡觀(guān)察磨粒，金剛石磨粒尺寸大小不一且隨機(jī)附著在砂輪表面，磨?？傮w呈現(xiàn)耕犁形，且表現(xiàn)出小磨刃寬度的特點(diǎn)。沿砂輪軸線(xiàn)測(cè)量相鄰磨粒的平均間距 L（i） 和平均出刃高度 g（i） 如圖5a和圖5b所示，其分布頻率直方圖分別如圖5c和圖5d所示，測(cè)得其平均值分別為 0.219mm 和 45.37μm_?

由磨削原理可得，磨削過(guò)程中磨屑厚度 h_m 計(jì)算公式為[18]：

式中： a_p 為磨削深度， μm;d_s 為砂輪直徑， mm u_w 為進(jìn)給速度， mminin u_s 為磨削速度， m/s 。

將砂輪實(shí)際形貌以及磨削工藝參數(shù)代入式（8）中，可得到不同磨削工藝參數(shù)下磨屑厚度的仿真結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)磨削速度 u_s=5.23m/s. 磨削深度 a_p=20μm 時(shí)，將進(jìn)給速度 u_w 從 10mm/min 增大到 100mm/min 時(shí)，磨屑厚度由 0.293μm 增大到 0.462μm 增加了 57.68% ；當(dāng)進(jìn)給速度 u_w=40mm/min 、磨削深度a_p=20μm ，磨削速度從 1.57m/s 增大到 5.23m/s 時(shí)，相對(duì)應(yīng)的磨屑厚度由 0.427μm 降低到 0.337μm ，下降了21.08% ；磨削深度對(duì)于磨屑厚度的影響最為顯著，它可以明顯提高其變化上限，當(dāng)磨削速度 u_s=5.23m/s， 進(jìn)給速度 u_w=40mm/min 保持不變時(shí)，當(dāng)磨削深度從 10μm 提高到 30μm 后，磨屑厚度將從 0.217μm 顯著提升到0.493μm ，變?yōu)樵瓉?lái)的2.27倍。不同磨削工藝參數(shù)下的磨屑厚度結(jié)果見(jiàn)表1和圖6d，因此磨屑厚度隨著進(jìn)給速度以及磨削深度的增大而增大，隨著磨削速度的增大而減小。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究中涉及單顆粒劃擦以及金剛石砂輪磨削2個(gè)實(shí)驗(yàn)。與前文理論分析相對(duì)應(yīng)，單顆粒劃擦碳化硅陶瓷實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證材料在不同載荷下的材料去除方式、裂紋延展方式以及碳化硅陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異，金剛石砂輪磨削實(shí)驗(yàn)是為了探究不同磨削工藝參數(shù)對(duì)碳化硅陶瓷表面/亞表面損傷的影響。

3.1單顆粒劃擦損傷

單顆金剛石磨粒劃擦碳化硅陶瓷工件表面形成的劃痕如圖7a所示。由圖7a可知：隨著載荷的增大，從右到左分成塑性去除、塑脆性去除和脆性去除3個(gè)階段。當(dāng)單顆金剛石磨粒開(kāi)始與工件接觸時(shí)，接觸應(yīng)力極小，加工損傷以塑性耕犁條紋為主，在工件表面未觀(guān)察到裂紋或破碎凹坑等脆性去除的特征，表明此階段材料去除為塑性去除。由圖7b可知：耕犁條紋并非完全按照磨粒前進(jìn)方向加深，在部分區(qū)域未產(chǎn)生明顯加工痕跡，這是由于接觸應(yīng)力未達(dá)到晶界臨界斷裂強(qiáng)度，接觸應(yīng)力被晶界組織消耗，裂紋拓展受到影響，說(shuō)明在低接觸應(yīng)力下，碳化硅陶瓷晶界組織起到了抑制裂紋拓展的作用。隨著載荷達(dá)到碳化硅晶界臨界斷裂強(qiáng)度，耕犁條紋變得更為明顯，且沿其劃痕兩側(cè)晶界拓展，材料的去除機(jī)制從純塑性去除轉(zhuǎn)變?yōu)樗艽嘈匀コ?。雖然此時(shí)碳化硅晶粒并未出現(xiàn)破碎，但石墨相和晶界與周?chē)蓟杈ЯＴ趶椥阅Ａ恳约皵嗔褟?qiáng)度等物理性能上差異很大，當(dāng)金剛石磨粒通過(guò)石墨相和晶界時(shí)，這些區(qū)域發(fā)生了不同程度的彈性變形，導(dǎo)致石墨相和晶界處形成間隙，從而引起斷裂損傷（圖7c）。由前文中的赫茲公式、壓頭實(shí)際形狀以及工件表面塑脆轉(zhuǎn)變的形貌，可計(jì)算此時(shí)單顆磨粒加載到碳化硅陶瓷表面的應(yīng)力為 25.9MPa 。隨著載荷的進(jìn)一步增加，應(yīng)力超出了碳化硅晶粒的極限載荷，裂紋開(kāi)始在劃痕表面拓展，逐漸形成斷續(xù)的破碎凹坑，這些凹坑可能由晶?；驓饪灼扑樾纬?，標(biāo)志著材料進(jìn)入了脆性去除階段（圖7d），此時(shí)的應(yīng)力為 344.0MPa 。材料進(jìn)入脆性去除階段后，晶粒破碎面積增加，材料表面產(chǎn)生大面積的連續(xù)坑洞，并且裂紋沿劃痕周?chē)Ы缫约皻饪椎冉Y(jié)構(gòu)拓展開(kāi)來(lái)，進(jìn)一步擴(kuò)大了材料表面損傷面積。由單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)可得出，碳化硅陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異是導(dǎo)致材料在加工時(shí)裂紋損傷容易產(chǎn)生且延展的重要原因之一。

通過(guò)有限元仿真，可進(jìn)一步揭示碳化硅陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)材料損傷的影響。以往的碳化硅陶瓷磨削仿真多將碳化硅陶瓷作為均質(zhì)硬質(zhì)材料，而忽略了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)根據(jù)碳化硅陶瓷內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的實(shí)際形貌建立仿真幾何模型。由于無(wú)壓燒結(jié)碳化硅陶瓷在制備過(guò)程中的顆粒生長(zhǎng)呈現(xiàn)隨機(jī)性和擴(kuò)散性，基于泰森多邊形的隨機(jī)框架生成算法可以有效模擬碳化硅陶瓷的顆粒形狀[]，所以采用其理論模型建立碳化硅陶瓷晶粒模型（圖8a）；晶界組織則通過(guò)在碳化硅仿真模型中添加內(nèi)聚力單元以模擬晶界在材料內(nèi)部的黏性作用[20]，氣孔以及石墨相由于斷裂強(qiáng)度過(guò)小，暫不引入仿真。碳化硅顆粒力學(xué)性能采用JH-2本構(gòu)模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。在生成晶?？蚣苤螅诓煌蓟杈ЯＶg添加內(nèi)聚力單元（圖8b），具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖9展示的是磨削深度 15μm 、劃入速度 10m/s 這一組磨削工藝參數(shù)下內(nèi)聚力單元損傷云圖（上圖）與同樣參數(shù)下碳化硅陶瓷內(nèi)部應(yīng)力云圖（下圖），由仿真結(jié)果可以觀(guān)察材料損傷的傳播范圍以及拓展路徑，損傷云圖中的XMIXDMI為初始損傷時(shí)混合斷裂模式的比例，用于判斷損傷演化形勢(shì)。其中：內(nèi)聚力單元損傷中的紅色區(qū)域?yàn)榧羟衅茐?，綠色區(qū)域?yàn)榧羟衅茐呐c拉伸破壞并存，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槲催_(dá)到破壞極限。選用上述磨削深度和劃入速度參數(shù)是因?yàn)榇藭r(shí)的磨削仿真便于在同一工況下觀(guān)察應(yīng)力傳播途徑與內(nèi)聚力損傷單元演化之間的聯(lián)系。

圖9a為材料加工未完全破壞時(shí)的狀態(tài)，根據(jù)距離接觸點(diǎn)的遠(yuǎn)近可確定損傷區(qū)域1＼～區(qū)域3，圖9b為材料加工完全破壞時(shí)的狀態(tài)。由于晶界臨界斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳化硅顆粒的極限載荷，因此在碳化硅顆粒破碎后，內(nèi)聚力單元處于剪切破壞階段（如損傷區(qū)域1所示），其中部分顆粒雖未達(dá)極限載荷，但周?chē)Ы缫驯黄茐?，?dǎo)致晶粒脫落或拔除，也造成了材料損傷。損傷區(qū)域2距離接觸點(diǎn)較遠(yuǎn)，碳化硅陶瓷內(nèi)部應(yīng)力降低，材料斷裂減少，內(nèi)聚力單元損傷形式也轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?拉伸破壞并存。但由于晶界臨界斷裂強(qiáng)度較低，此時(shí)加工產(chǎn)生的裂紋沿晶界結(jié)構(gòu)拓展延伸，在材料內(nèi)部形成亞表面損傷裂紋。由損傷區(qū)域1～區(qū)域2可得出：晶界系統(tǒng)在載荷過(guò)大時(shí)，對(duì)材料加工損傷起促進(jìn)作用。在損傷區(qū)域3中，隨著所受載荷持續(xù)降低，碳化硅陶瓷內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域的材料并未產(chǎn)生斷裂，且內(nèi)聚力單元僅為拉伸損傷，且與應(yīng)力集中范圍并不重合。當(dāng)材料完全破壞后，深層碳化硅顆粒裂紋并未完全延伸，取而代之的是大量?jī)?nèi)聚力單元的拉伸破壞，此時(shí)內(nèi)聚力單元的作用更加清晰，即有效抑制材料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生。

有限元結(jié)果表明，晶界結(jié)構(gòu)在不同載荷下對(duì)碳化硅陶瓷加工損傷起著不同的作用。在低應(yīng)力載荷下，晶界結(jié)構(gòu)消耗應(yīng)力，其黏性作用能夠抑制微小裂紋的拓展；隨著載荷增大，即使碳化硅顆粒未發(fā)生破壞，但裂紋損傷依舊沿著晶界結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部延伸，使得損傷區(qū)域擴(kuò)大；當(dāng)材料所受應(yīng)力載荷超過(guò)碳化硅顆粒極限斷裂強(qiáng)度時(shí)，材料主要損傷方式變?yōu)樘蓟桀w粒的破碎以及晶界斷裂帶來(lái)的顆粒整體拔除，材料損傷區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3.2 磨削加工損傷特性

3.2.1 磨削力表征

磨削力變化是磨削過(guò)程的有效反映，為了便于磨削力表征，將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的三軸磨削力信號(hào)進(jìn)行降噪處理和矢量合成，計(jì)算出不同加工參數(shù)下的磨削力數(shù)值。圖10所示為磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響。由圖10可知：當(dāng)進(jìn)給速度 u_w=40mm/min 、磨削速度 u_s= 5.23m/s ，磨削深度 a_p 由 10μm 增大至 30μm 時(shí)，磨削力由3.358N 增大到 13.594N ，增大了3.05倍；磨削速度 u_s= 5.23m/s 、磨削深度 a_p=20μm ，進(jìn)給速度 u_w 由 10mm/min 增大至 100mm/min 時(shí)，磨削力由 5.184N 增大到 10.537N 增幅為 103.26% ；當(dāng)進(jìn)給速度 u_w=40mm/min 、磨削深度 a_p=20μm ，磨削速度 u_s 由 1.57m/s 增大至 5.23m/s 時(shí)，磨削力由 8.907N 降低至 7.237N ，下降了 18.75% 。

磨削力與磨粒磨屑厚度關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示，雖然兩者間不存在簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，但磨削力隨磨粒磨屑厚度的增加而顯著增大。

3.2.2 磨削表面損傷

使用超景深顯微鏡放大300倍觀(guān)測(cè)磨削表面形貌，結(jié)果如圖12所示。材料表面形貌圖上的黑色區(qū)域代表破碎、凹坑等表面損傷，用ImageJ圖像處理軟件對(duì)碳化硅的表面形貌進(jìn)行測(cè)量，將提取到的黑色區(qū)域面積比例定義為表面損傷比例，以此量化磨削表面損傷程度。當(dāng)磨削速度 u_s=5.23m/s 、進(jìn)給速度 u_w=40mm/min ）磨削深度 a_p=10μm 時(shí)，磨粒磨屑厚度和磨削力均最小，分別為 0.217μm 和 3.358N （表1）。通過(guò)超景深顯微鏡測(cè)量的顯微形貌可知，此時(shí)工件表面形貌主要存在著由顆粒劃擦形成的表面微溝槽和少量微小凹坑，計(jì)算所得表面損傷比例僅為 0.396% （圖12a）；當(dāng)提高進(jìn)給速度至 70mm/min 并增大磨削深度至 20μm ，磨屑厚度 h_m 增大至 0.416μm （表1），碳化硅陶瓷表面開(kāi)始出現(xiàn)大量明顯的破碎狀孔洞且表面溝槽變得更加明顯，表面損傷比例上升到 2.132% （圖12b）；當(dāng)磨削深度進(jìn)一步增大到 30μm 時(shí)，磨屑厚度進(jìn)一步增加到 0.493μm （表1），材料表面出現(xiàn)大量嚴(yán)重的斷裂形凹坑缺陷，表面損傷比例上升至 2.473% （圖12c）。表面損傷比例與磨屑厚度關(guān)系曲線(xiàn)如圖12d所示，可知磨屑厚度的增大會(huì)導(dǎo)致材料表面損傷面積擴(kuò)大，從而惡化表面質(zhì)量。

使用掃描電鏡觀(guān)察磨削后的碳化硅陶瓷表面損傷微觀(guān)形貌，結(jié)果如圖13所示，圖 13a～13d 放大倍數(shù)分別為450、1500、250、250倍。由圖13a、圖13b可知：磨削加工中，碳化硅陶瓷在多磨粒作用下的損傷與單顆磨粒劃擦損傷相似，當(dāng)磨屑厚度較?。?0.293μm ）時(shí)，材料未完全達(dá)到理論破壞極限，此時(shí)材料處于塑性去除階段，材料損傷較??；隨著進(jìn)給速度增加，磨屑厚度（ 0.416μm ）與磨削力載荷大于材料臨界值后，材料進(jìn)入脆性去除階段，表面損傷面積有所增大。圖13c、圖13d展示的是碳化硅顆粒破碎或整體拔除而產(chǎn)生的表面坑洞。由前面分析可知，碳化硅陶瓷內(nèi)部存在復(fù)雜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料到達(dá)理論破壞極限后（磨屑厚度分別為 0.427μm 和 0.493μm ），材料表面形成的孔洞除了是碳化硅顆粒本身的脆性去除造成的外，晶界、石墨相、孔洞等結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，使材料在去除過(guò)程中引發(fā)更大面積的損傷。

3.2.3磨削亞表面損傷

磨削加工的亞表面損傷深度決定了后續(xù)拋光的材料去除量，對(duì)最終元件的加工質(zhì)量和效率具有重要影響。本研究中采用工件內(nèi)部磨削損傷深度的最大值來(lái)定義磨削工件的亞表面損傷程度，各磨削工藝參數(shù)下的亞表面損傷情況如表1和圖14所示，其中的亞表面損傷照片由前到后是掃描電鏡放大 850，1100，950 倍拍攝得到。由圖14和表1可知：亞表面損傷深度與表面損傷變化趨勢(shì)相同，均隨著磨屑厚度的增大而增大，當(dāng)磨削速度 u_s=5.23m/s 、進(jìn)給速度 u_w=40mm/min 、磨削深度 a_p=10μm 時(shí)，亞表面損傷深度最小，僅為 4.768μm 且通過(guò)掃描電鏡顯微形貌甚至可發(fā)現(xiàn)部分磨削區(qū)域無(wú)明顯亞表面裂紋（圖14a），說(shuō)明此時(shí)碳化硅陶瓷未達(dá)到顆粒破壞極限，亞表面微裂紋被晶界裂紋所替代，證明碳化硅晶界組織可以在一定程度上抑制裂紋損傷的拓展，并且低磨屑厚度可以有效減小磨削力，從而降低亞表面損傷。圖14d展示的是亞表面損傷深度的理論值與實(shí)測(cè)值隨磨屑厚度增大的變化趨勢(shì)，其中理論預(yù)測(cè)值由式（7）計(jì)算所得，兩者均隨磨屑厚度的增大而增大，且兩者最大誤差不超過(guò) 12.05% ，證明了亞表面損傷理論預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。理論和實(shí)驗(yàn)值存在誤差的可能原因是：（1）內(nèi)部原因，碳化硅陶瓷內(nèi)部隨機(jī)分布的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋拓展產(chǎn)生了影響，使得裂紋拓展路徑和深度并不完全與理論計(jì)算相符；（2）外部原因，磨粒在砂輪表面分布不均勻，其出刃高度有所變化，造成砂輪表面實(shí)際參加磨削工作的磨粒數(shù)小于出刃磨粒數(shù)，導(dǎo)致有效磨粒間距并不等同于砂輪表面磨粒平均間距，而是沿砂輪回轉(zhuǎn)方向上連續(xù)切削工件同一部位的磨粒間距，而該值是不固定的，隨砂輪制作條件而變化。在磨削過(guò)程中，隨著磨粒磨屑厚度的增大，磨削力不斷增大，在增強(qiáng)材料去除效果的同時(shí)，也引入了更深的亞表面損傷。因此磨削加工中為獲得高加工質(zhì)量，應(yīng)盡可能降低進(jìn)給速度和磨削深度，提高磨削速度，從而降低磨粒磨屑厚度和亞表面裂紋深度。

4結(jié)論

為探究磨削過(guò)程中碳化硅陶瓷的損傷機(jī)制，首先使用單顆粒劃擦實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證碳化硅陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異，并結(jié)合有限元仿真進(jìn)一步揭示材料內(nèi)部損傷形式；其次通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)分析不同磨削工藝參數(shù)下磨削損傷（表面損傷以及亞表面損傷）的變化趨勢(shì)。得出如下結(jié)論：

（1）碳化硅陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)在磨削過(guò)程中會(huì)對(duì)裂紋損傷產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)所使用的碳化硅陶瓷的晶粒極限斷裂強(qiáng)度為 344.0MPa ，晶界臨界斷裂強(qiáng)度為 25.9MPa_? 當(dāng)接觸應(yīng)力 lt;25.9MPa 時(shí)，材料屬于塑性去除階段，且晶界等微觀(guān)結(jié)構(gòu)會(huì)起到抑制裂紋拓展的作用；當(dāng)接觸應(yīng)力 gt;25.9MPa 且 lt;344.0MPa 時(shí)，未達(dá)到碳化硅陶瓷晶粒極限斷裂強(qiáng)度，但晶界、石墨相以及氣孔達(dá)到理論破壞極限，在材料表面形成側(cè)向裂紋以及斷續(xù)坑洞，材料去除方式轉(zhuǎn)為塑脆性去除；當(dāng)接觸應(yīng)力 gt;344.0MPa 時(shí)，碳化硅顆粒發(fā)生破碎，材料表面的裂紋以及坑洞面積加大，材料去除方式轉(zhuǎn)為脆性去除。同時(shí)，碳化硅陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異，也是材料加工容易產(chǎn)生損傷的重要原因。且材料的損傷演變可進(jìn)一步通過(guò)有限元仿真揭示，當(dāng)材料破碎時(shí)，碳化硅顆粒與內(nèi)聚力單元同時(shí)發(fā)生破壞，兩者破壞趨勢(shì)相同，但內(nèi)聚力單元破碎區(qū)范圍更廣，使得顆粒不僅發(fā)生了破碎現(xiàn)象，還會(huì)伴隨著由于晶界斷裂而產(chǎn)生的整體顆粒拔除現(xiàn)象，此時(shí)晶界系統(tǒng)促進(jìn)材料損傷產(chǎn)生；距離應(yīng)力集中區(qū)越遠(yuǎn)，應(yīng)力傳播受限，此時(shí)裂紋拓展受阻，取而代之的是內(nèi)聚力單元的拉伸破壞，說(shuō)明載荷較小時(shí)，晶界系統(tǒng)有抑制裂紋拓展的作用。

（2）通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)可以觀(guān)察磨削工藝參數(shù)對(duì)材料損傷的影響。磨削力與磨屑厚度變化趨勢(shì)相同，兩者均隨進(jìn)給速度和磨削深度的增大而增大，隨磨削速度的增大而減小，且碳化硅陶瓷磨削損傷與磨屑厚度以及磨削力呈正相關(guān)。當(dāng)進(jìn)給速度為 40mm/min 、磨削速度為 5.23m/s 、磨削深度為 10μm 時(shí)，磨屑厚度與磨削力最小，分別為 0.217μm 和 3.358N ，此時(shí)碳化硅陶瓷磨削損傷也最小，因此該參數(shù)為最佳參數(shù)。此時(shí)的材料表面損傷比例和亞表面損傷深度分別為 0.396% 和 4.768μm ，相較于最差參數(shù)下的值，其僅為各自對(duì)應(yīng)值的 16.01% 和 13.22% 。

（3）2個(gè)實(shí)驗(yàn)表明碳化硅陶瓷磨削損傷進(jìn)程與單顆磨粒劃擦損傷進(jìn)程類(lèi)似，材料會(huì)依次經(jīng)歷塑性去除、塑脆性去除和脆性去除3個(gè)階段，且材料損傷與所受載荷呈正相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷低缺陷、高質(zhì)量加工，不僅需要優(yōu)化磨削工藝參數(shù)及控制磨粒磨屑厚度，同時(shí)在低載荷狀態(tài)下還需考慮碳化硅陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少因其結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。

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作者簡(jiǎn)介

通信作者：葉卉，女，1989年生，副教授。主要研究方向：精密加工與材料激光損傷性能優(yōu)化。

E-mail： yehui513@usst.edu.cn

（編輯：王潔）

Grinding damage characteristics of silicon carbide ceramics

YE Hui， XIE Jiafu， NI Anjie （Shanghai University of Technology，School ofMechanical Engineering，Shanghai 20o093， China）

AbstractObjectives： To explore the grinding damage mechanism and surface/subsurface damage distribution law of siliconcarbideceramics.Methods：Combined withsingle-particle scratching experiments，grinding experiments，and finite elementsimulationanalyses，thecritical stressvalueoftheplastic-britle transitionofthe material，as wellas the trend of the influence of the grinding parameters on thedamage distribution，are clarified.Results：Theultimate fracture strength of the silicon carbide ceramics used in this experiment is about 344MPa ， and the grain boundary fracture strength isabout 25.9MPa .Both the experimental and simulation results show that the microstructure of the material plays different rolesunder diferent loads.When thecontact stress is less thanthecritical fracture strength of the grain boundaries，the grain boundary structure plays a viscous role，consuming stresss to inhibit the expansion of cracks. Witha further increase inload，although notreaching the critical stressvalueof the grainboundaries，the cracks are stil generated but not assevere.Further increase in load，although the materialfracture limit isnot reached，the materialsurface willstillexhibit cracks and pits due to microstructural damage caused by grain boundaries， graphite，and pores. When the contact stress exceeds the critical strength of the material andthe grain boundaries，the microstructure promotes the growth of cracks，further expanding the damage area ofthe SiCceramics.In the paper，through the optimization of the grinding process parameters，the best parameters for achieving the minimum grit undeformed chip thicknes and grinding forcearedetermined，thus minimizing thepercentage of material surface damageandthedepth ofsubsurface damage， which are 0.396% and 4.768μm ， respectively. Compared with the worst parameters， the damage values are only 16.01% and 13.22% of their respective counterparts. Conclusions： The process of material grinding damage is similar tothatofsingle gritscratchdamage，whichprogressesthreestages： plasticremoval，plastic-britleremoval，and britle emoval.The grinding force，thechange inmaximumgrit thickness without deformation，andthe extentof materialdamage alltend to increase withtheincreaseoffeedrate and grindingdepth，anddecreasewiththe increaseofgrinding whel speed.The microstructure of ceramic materials is an important reason for their machining susceptibility to machining damage. In order to achieve low-defect processing ofsilicon carbide ceramics，it is not only necessry to optimize te grinding processparameters but also to consider the role of the microstructure.The experimental rsults provide theoretical guidance for achieving low-damage and high-quality processing.

Keywordssilicon carbide ceramics；grinding processing；maximum undeformed abrasive debris thickness; surface/subsurface damage