硬脆材料與難加工材料磨削課件.ppt

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1、磨削理論與工藝機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院2009.05硬脆材料與難加工材料磨削之第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1工程陶瓷磨削12.2玻璃的磨削12.3石材的磨削加工23第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1工程陶瓷磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性12.1.2工程陶瓷磨削機(jī)理12.1.3工程陶瓷定壓力磨削及定切深磨削特性12.1.4加工條件對(duì)磨削特性的影響12.1.5工程陶瓷的鏡面磨削12.1.6加工表面變質(zhì)層的評(píng)價(jià)12.1.7工程陶瓷的復(fù)合加工12.1.8超聲波振動(dòng)磨削工程陶瓷4第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性工程陶瓷是三大工程結(jié)構(gòu)材料之一

2、。它具有高硬度、耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、重量輕、脆性大的特點(diǎn)。陶瓷種類繁多；工程陶瓷分氧化鋁系、氧化鋯系、氮化硅系、碳化硅系。常用工程陶瓷材料特性示于表12-1。工程陶瓷的結(jié)晶體是由共價(jià)鍵、離子鍵或兩者混合組成。Si3N4、SiC中主要是共價(jià)鍵，Al2O3、ZrO2主要是離子鍵。共價(jià)鍵強(qiáng)的陶瓷塑性好，即使是在高溫下其破壞韌性也不降低。離子鍵結(jié)合的陶瓷，其破壞強(qiáng)度依賴于溫度的高低。共價(jià)鍵的方向性使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)發(fā)展的能力，陶瓷呈現(xiàn)高的硬度和彈性模量。5第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性6第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工

3、程陶瓷的種類及材料特性破壞韌性是抗龜裂進(jìn)展的抵抗值，陶瓷破壞韌性值越大，抗龜裂的能力越強(qiáng)。破壞韌性值小的容易產(chǎn)生破碎。SiC及Al2O3的破壞韌性小，在磨削加工中容易產(chǎn)生龜裂破碎破損。ZrO2的韌性值最大，磨削容易形成塑性流動(dòng)型的破損。Si3N4是介在SiC與ZrO2之間，磨削時(shí)產(chǎn)生龜裂破損與塑性流動(dòng)破損混合形式。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理為獲得最優(yōu)的磨削參數(shù)，需要掌握基本的磨削機(jī)理和磨削參數(shù)對(duì)工件表面損傷及機(jī)械性能的影響。多年來(lái)對(duì)陶瓷磨削機(jī)理的研究，絕大多數(shù)的研究集中在壓痕斷裂力學(xué)模型與切削模型近似。在壓痕斷裂力學(xué)模型近似中磨粒與工件相互作用的模型是建立在

4、理想化的裂紋系統(tǒng)和由壓頭所產(chǎn)生的變形的基礎(chǔ)上的。切削模型近似則包括單刃和多刃切削力的測(cè)量，以及對(duì)磨屑的顯微觀察及對(duì)表面地貌的顯微觀察。這兩種模型的建立都為研究陶瓷磨削機(jī)理提供了重要依據(jù)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理1.壓痕斷裂力學(xué)模型壓痕斷裂力學(xué)模型近似是把陶瓷磨削中的磨粒與工件的相互作用看作小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象。在斷裂力學(xué)中維氏四面體壓頭獲得的變形和斷裂圖形如圖12-1所示。在壓頭正下方是塑性變形區(qū)，從塑性區(qū)開始形成兩個(gè)主要的裂紋系統(tǒng)，即中央／徑向裂紋和橫向裂紋。中央／徑向裂紋通常導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，橫向裂紋引起材料的去除。這種模型已從靜載荷擴(kuò)展為切向載荷（移動(dòng)壓

5、頭）的情況。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋中央／徑向裂紋的大小是使用解決表面點(diǎn)載荷彈性應(yīng)力場(chǎng)的布欣尼奇（Cpvttjoftr）方法預(yù)測(cè)的。中央裂紋的擴(kuò)展分解為彈性部分和不可逆（殘余）部分。彈性部分產(chǎn)生中央裂紋并使其在加載中向下擴(kuò)展，而殘余部分是在壓頭回撤后使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。通過建立壓頭下由彈性基體包圍的擴(kuò)展塑性區(qū)壓痕模型，可獲得由尖端四面體壓頭加載卸載后的穩(wěn)定裂紋大小C與加載力P的關(guān)系為H—材料硬度；E—材料彈性模量；Kc—材料斷裂韌性；Ψ—壓頭相對(duì)棱邊的夾角；ζ—常數(shù)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定

6、點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋上式所表達(dá)的關(guān)系只適用于所加載荷大于使材料產(chǎn)生中央裂紋的臨界狀況。臨界載荷P*為α、η、γ是常數(shù)。殘余部分的殘余應(yīng)力是裂紋擴(kuò)展的主要原因。殘余應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)Kγ為X為常數(shù)，V1為壓痕體積，V為塑性區(qū)體積。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋球面壓頭載荷與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系為上兩式分別預(yù)測(cè)了四面體壓頭時(shí)P與C的比例關(guān)系及球面體壓頭時(shí)P與C的比例關(guān)系。材料強(qiáng)度的降低通常是由中央／徑向裂紋和殘余應(yīng)力的擴(kuò)展作用引起的?？拷佑|表面的殘余壓應(yīng)力在次表面彈／塑性邊界突然躍遷為拉應(yīng)力，達(dá)到0.1～0.5H（硬度）。研究表

7、明由壓痕引起的殘余應(yīng)力將使材料強(qiáng)度降低約30%。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋根據(jù)斷裂力學(xué)理論和綜合考慮載荷對(duì)裂紋大小的影響與產(chǎn)生壓痕后法向作用力對(duì)強(qiáng)度的影響，即可得到在四面體壓頭作用下的斷裂強(qiáng)度δf：式中Y是一個(gè)與裂紋幾何形狀和方向有關(guān)的常數(shù)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋根據(jù)斷裂力學(xué)理論和綜合考慮載荷對(duì)裂紋大小的影響與產(chǎn)生壓痕后