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附錄1：外文翻譯
脆性固體的加工和表面處理
S CHANDRASEKAR和T N FARRIS
普渡大學(xué)工程學(xué)院，West Lafayette，IN 47907-1282，美國(guó)
電子郵件：chandy @ ecn.purdue.edu
[摘要]：陶瓷材料主要通過(guò)磨削加工完成工藝如研磨，研磨和拋光。在研磨中，磨料通常在研磨輪中結(jié)合并與其接觸陶瓷表面以相對(duì)高的滑動(dòng)速度。在研磨和拋光，陶瓷壓在拋光塊上，研磨劑懸浮在拋光塊中在它們之間以漿料的形式。這里的材料去除過(guò)程sembles三身穿。在所有這些過(guò)程中，機(jī)械作用的研磨劑可以認(rèn)為是重復(fù)應(yīng)用相對(duì)尖銳滑動(dòng)壓印陶瓷表面。在這些條件下，少數(shù)的機(jī)制主導(dǎo)材料去除過(guò)程。這些是脆脆的由于裂紋系統(tǒng)定向?yàn)槠叫校M向）和垂直（徑向/中間）到自由表面，延性切削形成薄帶狀芯片，以及在反應(yīng)物存在下的化學(xué)輔助磨損其通過(guò)機(jī)械作用（摩擦化學(xué)反應(yīng)）增強(qiáng)。關(guān)系每個(gè)這些機(jī)制的作用在一個(gè)特定的整理過(guò)程中可以與施加到磨料顆粒的載荷，滑動(dòng)速度有關(guān)顆粒，以及化學(xué)反應(yīng)物的存在。這些磨損機(jī)構(gòu)也導(dǎo)致以微裂紋形式損壞陶瓷表面附近的殘余物應(yīng)力，塑性變形和表面粗糙度共同決定強(qiáng)度和成品的性能。一個(gè)完整的理解導(dǎo)致材料去除的磨損機(jī)構(gòu)的允許允許設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)高陶瓷表面的高效加工工藝質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞]陶瓷表面; 磨削加工工藝; 表面處理; 磨損機(jī)制。
1.介紹
對(duì)可靠的元件制造的先進(jìn)陶瓷材料的開(kāi)發(fā)。的這些材料的使用在1990年達(dá)到約每年140億美元的銷售額并繼續(xù)下去以每年4％的速度增長(zhǎng)（Jahanmir等1992）。先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)陶瓷與其它材料的組合包括在高溫下的高硬度和強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性，低摩擦和高耐磨性。但是，那些屬性賦予陶瓷優(yōu)異的耐磨性也使其難以加工。此外，這些陶瓷的有限延展性使得形成方法依賴于廣泛塑性變形僅用于處于生坯狀態(tài)的陶瓷。因此，廣泛的加工是制造具有高質(zhì)量表面的復(fù)雜形狀所需要的。加工成本可以高達(dá)制造部件成本的80％。詳細(xì)了解陶瓷加工的磨損機(jī)理它們留下的損傷應(yīng)該允許更經(jīng)濟(jì)的制造可靠高級(jí)陶瓷元件。
最近的作者回顧了包括Braza在內(nèi)的陶瓷磨損的幾個(gè)方面等人（1989）概述了其與接觸疲勞的關(guān)系，Larsen-Basse（1994）比較和對(duì)比了陶瓷的磨損與已知的關(guān)于膠結(jié)的碳化物和金屬陶瓷，以及Jahanmir＆Dong（1994），他們給出了磨損圖相關(guān)接觸壓力和溫度的制度。 以下評(píng)論機(jī)械與加工相關(guān)的磨損方面。
2．材料去除過(guò)程
雖然車削和銑削廣泛用于金屬的加工，但是由于快速刀具磨損和大量表面，它們對(duì)于完全致密陶瓷不是有效的損傷。金剛石車削可用于加工生坯狀態(tài)的陶瓷，但可以加工完成在致密陶瓷上仍需要加工。因此，陶瓷的表面精加工主要通過(guò)磨料精加工，例如金剛石研磨，研磨，和拋光。這些過(guò)程需要滿足嚴(yán)格的公差和表面結(jié)構(gòu)和電子陶瓷的完成要求（例如<0.05?m rms的磁性記錄頭，硅晶片，面密封件和軸承）。研磨過(guò)程去除材料機(jī)械地并且在陶瓷的表面上引入損傷（Marshall et al1983）。這種損壞通常以殘余應(yīng)力和裂紋的形式存在主要影響機(jī)械性能和加工陶瓷表面的完整性。此外，塑性變形和隨后由表面引起的殘余應(yīng)力精加工改變電磁性能，例如磁導(dǎo)率，電阻率和折射率電子陶瓷表面的指數(shù)（Stokes 1972）引起它們的劣化性能在電子設(shè)備。
通常，研磨中的材料去除速率（MRR）高于MRR in研磨和拋光。 在初始粗磨操作中的較高M(jìn)RR導(dǎo)致表面損傷以微裂縫的形式，可能延伸到100 i?m深表面。 粗磨后依次是細(xì)磨，研磨和拋光這種損壞被不同程度地消除。 此外，研磨和拋光操作也可能以殘余應(yīng)力的形式在表面上留下?lián)p傷和嚴(yán)重塑性變形層。
陶瓷的研磨主要由含有金剛石磨料的砂輪完成（Subramanian 1988）。鉆石被固定在車輪上相對(duì)柔順的樹(shù)脂粘結(jié)或剛化的粘結(jié)。砂粒是統(tǒng)計(jì)分布的在一系列尺寸范圍內(nèi)，平均尺寸為?100 p?min的輪子被指定為粗糙和'?5?m在車輪指定為罰款。在研磨中使用的典型工藝參數(shù)包括輪表面速度為25至50m / s，切削深度為0.5至30μm，以及工作臺(tái)橫移速度?20mm / s。這些參數(shù)導(dǎo)致訂單的每單位車輪寬度的MRR為0.1至imm 3 / mm / s，每單位輪寬度的正常研磨力為5至100N / ram。對(duì)于給定的切削深度，磨削力通常隨著磨料顆粒尺寸而增加在車輪減少。這里，切削深度是指在a中去除的材料的深度單個(gè)橫過(guò)陶瓷表面的輪。但是，深度去除單個(gè)顆粒遠(yuǎn)小于此并且在其間的接觸長(zhǎng)度上變化輪和工件。接觸長(zhǎng)度為1 =?（忽略車輪偏轉(zhuǎn)）其中R是車輪的半徑，d是切削深度;典型接觸長(zhǎng)度為范圍1?2 mm。
施加到砂輪的力產(chǎn)生車輪和機(jī)器偏轉(zhuǎn)，使得實(shí)際的接觸長(zhǎng)度與使用幾何學(xué)計(jì)算的接觸長(zhǎng)度不同（Hucker等人11994）。輪偏轉(zhuǎn)是由于剛性金剛石磨料之間的局部接觸顆粒（嵌入順應(yīng)性粘結(jié)）和工件以及全局偏轉(zhuǎn)由于與通過(guò)的總接觸力的傳輸相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力分布車輪?；钚阅チ项w粒數(shù)量的確定計(jì)算，即數(shù)量實(shí)際與切削動(dòng)作的顆粒以及對(duì)這些顆粒的力分布粒子仍然不可用。然而，顆粒在輪上的統(tǒng)計(jì)分布表面表明許多顆粒具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于但小于的深度磨削深度的順序。此外，單一的接觸壓力顆粒和陶瓷表面非常高并且近似等于陶瓷硬度。這與車輪 - 陶瓷上的平均壓力形成對(duì)比界面從力測(cè)量估計(jì)，這是在彈性范圍內(nèi)。
大的相對(duì)滑動(dòng)速度在磨料工件處產(chǎn)生高溫接口。 對(duì)于典型的磨削條件，紅外輻射測(cè)量的峰值溫度顯示它們高達(dá)1300℃（Hebbar等人1992）。 這些值與單點(diǎn)研磨中的溫度的測(cè)量和分析一致在類似的研磨條件下。 高研磨溫度的進(jìn)一步證據(jù)是提供由球磨粒存在于磨屑中同時(shí)磨削硬化鋼（Lu et al 1992）。 研磨溫度局限在表面附近所產(chǎn)生的熱梯度產(chǎn)生熱應(yīng)力，這在理解研磨過(guò)程中也是重要的。
磨削期間接觸應(yīng)力和溫度的局部性質(zhì)（即局部于單個(gè)磨料顆粒 - 陶瓷接觸）以及與變形和應(yīng)力在加工表面，強(qiáng)烈建議理解陶瓷研磨過(guò)程中的材料去除機(jī)制，將有助于分析滑動(dòng)在切削和滑動(dòng)速度的深度下由硬顆粒壓印陶瓷表面發(fā)生在研磨。實(shí)際上，這種觀點(diǎn)是下面許多討論的基礎(chǔ)。
通過(guò)液壓或機(jī)械施加的壓力將塊裝載到工件上并以低速旋轉(zhuǎn)。顆粒滾動(dòng)并滑過(guò)陶瓷表面，使得磨損類似于三體磨損，而不是磨削中的兩體磨損，拋光通常在使用初始磨削產(chǎn)生工件形狀之后進(jìn)行;其主要目的是產(chǎn)生光滑的表面。使用硬研磨塊當(dāng)需要對(duì)工件的平直度有嚴(yán)格的公差時(shí)，拋光產(chǎn)生更光滑的表面，因?yàn)樵S多磨料顆粒嵌入在軟的研磨塊。金剛石顆粒廣泛使用，但是較軟的磨料如Al 2 O 3，SiC和氧化鈰也被廣泛使用。如在研磨中，顆粒是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分布在尺寸范圍內(nèi)，平均粒度范圍為0.05-70μm。
在研磨和拋光中磨料和陶瓷之間的平均滑動(dòng)速度為0.5m / s或更小的量級(jí)，比研磨中的量級(jí)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與研磨相反，滑動(dòng)誘導(dǎo)溫度被認(rèn)為是微不足道的研磨和拋光。單個(gè)磨料顆粒上的力隨總力變化應(yīng)用于作為過(guò)程變量的塊或墊。通常，表面粗糙度（Ra）的成品表面隨著研磨壓力的增加而增加。典型去除速率在研磨和拋光的范圍為0.001-1mm 3 / s，這小于觀察到的研磨寬度為5mm的典型砂輪。較小的MRR建議與研磨相比，由研磨和拋光留在表面上的損傷更少。如在研磨中，材料去除可以被視為由于滑動(dòng)壓痕滑動(dòng)的顆粒，以及由于滾動(dòng)的顆粒的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕。這個(gè)理想化與重疊和拋光表面的顯微觀察一致，和由這些方法形成的磨損顆粒（Chauhan等人1993）。
最近，在研磨基礎(chǔ)上研究磨粒力的分布模型已經(jīng)開(kāi)發(fā)了顆粒的統(tǒng)計(jì)尺寸分布（Chauhan等人11993）。在那里紙，通過(guò)假設(shè)計(jì)算粒子工件接觸所需的柔量與具有錐形壓頭的壓痕相同。一個(gè)有趣的結(jié)果從計(jì)算中可以看出，大約只有1個(gè)105顆粒被有效地接合在給定時(shí)間的材料去除。此外，通過(guò)假設(shè)表面粗糙度成品表面與由顆粒產(chǎn)生的塑性區(qū)域的深度有關(guān)表面粗糙度可以從磨料顆粒的性質(zhì)預(yù)測(cè)工件和研磨壓力。發(fā)現(xiàn)平均表面粗糙度Ra是相關(guān)的平均粒子力，而峰 - 谷表面粗糙度Rt與之相關(guān)由顆粒施加的最大力。在大多數(shù)情況下，這種模型的預(yù)測(cè)是與Al203的研磨和拋光的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果非常一致，鈉鈣玻璃和使用不同粒度的SiC研磨漿料的Ni-Zn鐵氧體。由于困難，部分地沒(méi)有進(jìn)行類似的計(jì)算用于研磨與砂輪的表面輪廓的測(cè)量和缺少相關(guān)聯(lián)表征輪表面上的顆粒尺寸的統(tǒng)計(jì)分布。
3材料去除機(jī)制
表面和加工屑。這種顯微鏡觀察已經(jīng)顯示材料去除作為以下一種或多種的結(jié)果發(fā)生：側(cè)向裂紋斷裂打開(kāi)到表面上;由于谷物拉出造成的總斷裂;中間/徑向裂紋相互交叉;和塑料微切割通過(guò)形成芯片單點(diǎn)車削金屬。這些觀察結(jié)果也已經(jīng)通過(guò)電子顯微鏡研究了通過(guò)機(jī)械加工形成的芯片和磨損顆粒來(lái)確認(rèn)。優(yōu)勢(shì)的給定機(jī)制與由單獨(dú)的磨料施加的載荷密切相關(guān)陶瓷表面。通常，當(dāng)外部施加的載荷傳遞時(shí)由磨料小，塑性微切或壓痕（有向上位移的材料周圍的縮進(jìn)）機(jī)制被發(fā)現(xiàn)支配。這是特別的當(dāng)在低負(fù)荷和/或用柔性，柔軟的拋光布（拋光塊）或在所謂的“延性體系”研磨方式。這些模式產(chǎn)生的表面的材料去除/位移的特征在于它們的極端光滑度。而且，材料去除的塑性微切割作用導(dǎo)致形成甚至在加工諸如玻璃，鐵氧體或MgO的脆性固體時(shí)也可以形成薄帶狀層。圖1示出了在鈉鈣玻璃的拋光期間形成的這種芯片。加工陶瓷如Ni-Zn鐵氧體，鈉鈣玻璃，Si3N4和氧化鋯的表面通過(guò)這種去除的塑性機(jī)制包含大約20-50MPa的殘余應(yīng)力（Chandrasekar等1991）。此外，在地面上的位錯(cuò)蝕刻點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)
并且拋光的單晶MgO塊顯示存在強(qiáng)烈變形表面層具有高位錯(cuò)密度。這兩個(gè)觀察結(jié)果
圖1 來(lái)自鈉 - 鈣玻璃的SEM微雕刻帶狀拋光芯片。
加強(qiáng)了塑料微切割機(jī)制的材料去除以及形成的假設(shè)微凹痕和塑料刮痕。名義上的脆性固體中的塑料材料去除機(jī)制無(wú)疑是大的結(jié)果在陶瓷表面下方的小體積中產(chǎn)生的靜水應(yīng)力磨料顆粒。
脆性固體的加工和表面精加工477脆性斷裂。通過(guò)脆性斷裂的材料去除的最常見(jiàn)的模式是由于側(cè)向裂紋向表面開(kāi)裂，顆粒拉出或破碎型材料去除。再次，這些結(jié)論是從顯微鏡觀察到的機(jī)加工表面和磨損顆粒。
為了更好地理解這些機(jī)制，以及它們背后的驅(qū)動(dòng)力是值得分析一個(gè)減少的陶瓷加工模型。這是提供通過(guò)滑動(dòng)壓痕工藝，其需要單個(gè)磨料顆?；^(guò)的陶瓷工件。這種配置已經(jīng)在文獻(xiàn)中廣泛研究（Broese van Groenou等人1979; Swain 1979; Evans and Marshall 1981; Cheng和Finnie1990; Ahn等人1993）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意圖和得到的裂紋模式是
如Ahn等人（1993）所總結(jié)的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果被描述不同的力方案，其中出現(xiàn)圖2所示的各種裂紋模式。對(duì)于一個(gè)維氏壓頭在鈉鈣玻璃上滑動(dòng)，結(jié)果總結(jié)如下。在小于?0.05N的正常載荷下，沒(méi)有觀察到裂紋，但是形成凹槽表明局部塑性變形。在某些情況下形成這種凹槽是通過(guò)塑料切割機(jī)構(gòu)去除材料的結(jié)果，其產(chǎn)生類似于圖1所示的芯片。在其他情況下，凹槽僅僅是滑動(dòng)凹槽，即凹槽內(nèi)的材料主要移動(dòng)到凹槽的側(cè)面。在后一種情況是沒(méi)有材料去除，而只是塑料壓痕。在力量范圍為0.05-0.8N，觀察到垂直于表面的中間裂紋。深度的中間裂紋隨法向力增加。在0.8-3N的范圍內(nèi)，中值開(kāi)裂是伴隨著平行于表面的橫向裂紋。在負(fù)載較高部分
圖2.滑動(dòng)壓痕和導(dǎo)致斷裂的示意圖。
這個(gè)范圍，側(cè)向裂紋穿透到表面導(dǎo)致材料去除。還在更高的載荷，例如3-6N，在刮擦槽中存在相當(dāng)大的顆粒破碎，以及中值??裂紋。應(yīng)力分析，使用滑動(dòng)近似局部非彈性變形吸塑領(lǐng)域已由Ahn等人完成（1993）。這是通過(guò)擴(kuò)展獲得的由Yoffe（1982）提出的靜態(tài)壓痕的泡罩場(chǎng)模型。在這個(gè)模型中通過(guò)測(cè)量將泡罩區(qū)域的強(qiáng)度作為壓痕載荷的函數(shù)進(jìn)行評(píng)估刮痕槽的體積（圖2）。未開(kāi)裂的拉伸應(yīng)力的值A(chǔ)hn等人（1993）報(bào)道了在不同系統(tǒng)的位置處的固體。壓力將發(fā)現(xiàn)側(cè)向裂紋對(duì)于低負(fù)載是小的并且等于中間值在通常觀察到發(fā)生橫向裂紋的負(fù)載附近的裂紋驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。那滑動(dòng)氣泡模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)觀察到的臨界負(fù)載用于鈉鈣玻璃中的側(cè)向裂紋形成。到目前為止，一個(gè)完整的應(yīng)力分析不存在脆性材料的滑動(dòng)壓痕。
在這里必須注意的是，滑動(dòng)壓痕強(qiáng)制在結(jié)果中總結(jié)都在研磨和拋光期間施加到磨料的力的范圍內(nèi)。的早先描述的研磨力計(jì)算產(chǎn)生平均顆粒力在0.03-0.6 N，用于在典型條件下研磨和拋光玻璃，鐵氧體和Al 2 O 3。較小的力對(duì)應(yīng)于?1?m的磨料顆粒尺寸，而較高的力對(duì)應(yīng)粒徑?63?m。力值中的較小者在該范圍內(nèi)其中在拋光期間觀察到通過(guò)切割的塑料材料去除滑動(dòng)壓痕。較高的顆粒力在很好的條件范圍內(nèi)該側(cè)向裂紋是滑動(dòng)壓痕中材料去除的主要機(jī)制實(shí)驗(yàn)。
在磨削加工過(guò)程中作為工藝變量的函數(shù)的體積磨損的計(jì)算沒(méi)有在任何顯著的程度上進(jìn)行。 Evans＆Marshall（1981）使用斷裂力學(xué)獲得作為施加力的函數(shù)的磨損體積的公式和陶瓷材料性能，基于側(cè)向裂紋機(jī)理描述材料去除。然而，他們的預(yù)測(cè)側(cè)裂開(kāi)始的公式
以及體積去除速率沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如。 Larsen-Basse（1994）。基于可操作的不同磨損機(jī)制，在陶瓷的研磨，研磨和拋光期間的這種磨損率的分析估計(jì)是一個(gè)問(wèn)題值得詳細(xì)研究。
4．結(jié)論
這個(gè)對(duì)陶瓷研磨加工的最新研究的簡(jiǎn)要回顧強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)兩種與材料去除相關(guān)的主要磨損機(jī)制：（1）脆性斷裂橫向裂紋與加工表面相交，當(dāng)由磨料施加負(fù)載時(shí)顆粒高，和（2）具有如單個(gè)切屑形成的延性微切削金屬點(diǎn)加工。這些機(jī)制的證據(jù)來(lái)自微觀加工表面，切屑和磨損顆粒的觀察;從考慮在加工中由各個(gè)磨料顆粒施加的力和壓力，以及從480 S Chandrasekar和T N Farris在經(jīng)受類似于作用在磨料顆粒上的載荷的滑動(dòng)微型壓痕機(jī)下的陶瓷表面中發(fā)生的變形的性質(zhì)。其他意見(jiàn)殘余應(yīng)力，磁性能變化，微裂紋和加工強(qiáng)度陶瓷提供了對(duì)這些機(jī)制的進(jìn)一步支持。例如，研磨和精細(xì)結(jié)晶陶瓷的拋光表面通常具有殘余壓應(yīng)力在支持材料機(jī)制的淺表面層中的高位錯(cuò)密度通過(guò)塑性切割移除，以及通過(guò)壓痕移動(dòng)材料。此外，這樣表面幾乎沒(méi)有顯微裂紋的跡象，并且在研和精細(xì)拋光的陶瓷中幾乎沒(méi)有強(qiáng)度降低和強(qiáng)度各向異性。相比之下，粗略拋光或研磨的陶瓷表面在表面中顯示出相當(dāng)大的微裂紋層以及強(qiáng)度各向異性和強(qiáng)度降低。這與a一致通過(guò)脆性斷裂發(fā)生材料去除和磨損的機(jī)理。
總之，陶瓷的成本有效的加工需要理解的變形過(guò)程和由滑動(dòng)壓頭產(chǎn)生的陶瓷中的應(yīng)力場(chǎng)在機(jī)械加工中普遍存在的壓力和溫度條件下。通過(guò)控制和利用通過(guò)韌性切割形成的磨損顆粒與脆性顆粒之間的過(guò)渡斷裂，應(yīng)該可以提高材料去除率和顯著提高加工表面的質(zhì)量。使用活性化學(xué)試劑來(lái)增強(qiáng)或通過(guò)在界面處的摩擦化學(xué)反應(yīng)減少材料去除研磨劑和陶瓷工件在這方面也應(yīng)該是有益的。
該研究得到國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)贈(zèng)款部分支持MSS 9057082，Jorn Larsen-Basse，項(xiàng)目總監(jiān)和DDM 9057916，Bruce Kramer，項(xiàng)目總監(jiān)。
附錄2：外文原文
致 謝
首先感謝大連大學(xué)圖書(shū)館資源共享平臺(tái)給予巨大的文獻(xiàn)查閱支持。
在為期三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我最要感謝的是蔡軍老師，她給予了我莫大的幫助，不斷地督促我加緊推進(jìn)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程，老師憑借她多年來(lái)豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，一步一步悉心指導(dǎo)我不斷前進(jìn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)初期，老師在繪圖方面秉承著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，仔細(xì)測(cè)量，認(rèn)真解答每一處難題，促進(jìn)我不斷解決難以攻破的問(wèn)題；后期，老師在論文方面進(jìn)行深刻分析，對(duì)我不成熟的結(jié)論再次總結(jié)，提出更多值得研究的問(wèn)題，讓我在寫(xiě)作的過(guò)程中也接觸到了新的知識(shí)。最后感謝幫助過(guò)我的同學(xué)們，是你們無(wú)私的幫助讓我克服了很多困難。
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