脆性材料延性域加工研究进展

张玉周，皮 钧

(集美大学机械工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

脆性材料 (如玻璃、陶瓷、硅、石英等)具有优良的性能，在航空航天、能源、生物医药、光学、半导体及电子领域中发挥十分重要的作用.许多高科技产品，比如热成像仪中的透镜、晶体硅太阳能电池板、半导体领域中的一些关键产品就是用脆性材料制造的.近年来，随着光学、半导体、生物医药领域技术的飞快发展，出现了许多利用脆性材料 (如陶瓷、玻璃等)加工而成的表面具有功能微结构的精密微小零件 (如微透镜阵列、微棱镜、非球面透镜、多焦点透镜、二维平面编码器、反射光栅或通道等)，这些微小零件 (微米级)必须具有很高的表面质量、超精密的形状精度及更紧密的公差配合，因而也对脆性材料加工技术提出了更高要求.

但是，脆性材料的加工性能差，这主要是因为脆性材料脆性大，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近，当材料所承受的载荷超过弹性极限时就发生断裂破坏，容易在已加工表面产生裂纹和凹坑，严重影响产品的表面质量和性能.传统的脆性材料加工方式 (磨粒加工)容易造成零件表层及次表层损伤，必须通过后续的研磨、抛光等工序进行光整，因而生产效率低、加工精度不易保证，而且不易加工表面形状复杂的零件.

脆性材料延性域加工是近几十年发展起来的脆性材料加工新技术.实验和理论研究表明，通过控制加工条件，加工过程中脆性材料的切屑可以以塑性变形的方式形成并被去除，由于没有发生脆性断裂，所以不会造成零件表层及次表层的损伤和产生微裂纹.与传统的加工方式相比，脆性材料延性域加工可大大改善加工表面质量及精度，提高加工效率，并且容易实现具有复杂表面形状零件的加工.

1 脆性-延性转变机制

脆性材料在加工过程中存在两种材料去除机制——脆性模式和延性模式.这两种模式与加工尺度(切削厚度/切削深度)有关.在大的加工尺度下，材料发生脆性断裂并以脆性模式被去除;而如果加工尺度足够小，切削深度 (切削厚度)小于某一临界值，材料先发生塑性变形并以延性模式被去除.

Bifano等[1]从能量的观点解释了脆性材料加工过程中的脆性-延性转变现象.塑性变形、脆性断裂都是不可恢复的能量耗散过程.用Ep表示材料塑性变形所需要的能量，Ep=σyvp，其中:σy是屈服强度，表征材料抵抗塑性变形的能力;vp表示材料发生塑性变形的体积．用Ef表示脆性断裂所需要的能量，Ef=GAf，其中:G是Gfiffith微裂纹扩展系数，是材料抵抗裂纹扩展的属性;Af是由于裂纹扩展而新形成的表面积.σy、G是材料的本质属性，由材料的性能决定，而vp、Af的数量级由切削深度d决定，vp～d3，Af～d2，这样，塑性流动能Ep与断裂能Ef之比，即Ep/Ef∝d;脆性-延性转变的临界切深dc=f(σy、G)．当切削深度d大于dc时，脆性断裂是能量优先的变形机制，当切削深度d小于dc时，塑性变形成为能量优先的变形机制;临界切深dc是σy和G函数，两者分别表示材料抵抗塑性流动和脆性断裂的能力.

Nakasuji等[2]从力学的观点解释了脆性-延性转变机制.延性域模式是由于特征滑移面上易滑移方向的剪应力分量τs大于某一临界值τc，材料发生了塑性变形 (如图1a所示)，而脆性域模式是由于特征解离面法向拉应力分量σf大于σc某一临界值，导致材料发生脆性断裂 (如图1b所示).

因此，特定加工条件下材料的应力场状态决定了判定准则，即:当τs〉τs先于σf〉σc发生，决定材料的去除机制是延性模式，反之，则为脆性模式．临界值τc和σc受到材料内部缺陷和位错密度的影响．如果加工尺度大 (大的切削深度)，刀具前端的应力场尺度也大，应力场内的微裂纹增加，使得σc急剧降低，材料优先发生脆性断裂 (如图2a所示).而τc没有明显的尺寸效应，即使在小的应力场内，位错密度也足以使塑性变形发生．因此，如果切削深度足够小，应力场尺度小，内部无微裂纹，σc大大增加，塑性变形将先于脆性断裂发生 (如图2b所示).

图1 切屑去除模型Fig.1 Models of chip removat

图2 临界应力场模型Fig.2 Models of critical stress field

Bridgeman等[3]的研究表明，多种脆性材料在静水压力(平均正应力)影响下可以表现出塑性行为，高的静水压力是脆性材料产生塑性流动的必要条件.如果切削深度足够小，切屑形成区内高的静水压力和剪切应力会抑制裂纹的扩展，切屑在形成过程中表现出塑性变形的特征.脆性材料的压痕实验可以很好地模拟脆性-延性转变的静水压力机制.图3是一个脆性材料弹性-塑性压痕实验模型.在脆性材料上施加一小的载荷p，压头正下方的材料 (见图3中黑色部分)被认为是扩展核心，向周围的塑性变形区 (见图3中阴影部分)施加均匀的静水压力.从图3可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形.

Cai等[4]应用分子动力学 (MD)方法研究了脆性材料纳米切削过程中脆性-延性转变和裂纹的产生过程，研究结果表明，当切削厚度从小于切削刃半径增大到大于切削刃半径时，材料的去除模式也相应地发生延性—脆性的转变.这种转变与切屑成形区前端的应力状态有关.图4、图5表示了两种不同的切屑成形模式.当切削厚度小于切削刃半径时，应力σyy是压应力，而且切屑成形区没有尖端区域(见图4a、图5a).在这样的加工条件下，切屑成形区周围都是压应力的作用，因此没有裂纹产生.当切削厚度等于或大于切削刃半径时，切屑成形区内有一尖端区域.尖端区域的形成是由于区域内原子键的长度被拉长.同时，y方向的应力σyy状态由压应力转变成拉应力 (如图4b、图5b).在拉应力σyy和σxx压应力的共同作用下，尖端变形区附近就会产生裂纹并扩展.

图3 脆性材料弹塑性压痕模型Fig.3 A model for elastic-plastic indentation for brittle materials

图4 切屑成形模式Fig.4 Chip formation modes

图5 切屑成形模式的MD仿真Fig.5 A MD simulation for chip formation mode

2 脆性-延性转变临界加工尺度分析模型

只有在一定的加工条件下，脆性材料才能通过塑性变形的方式被去除，实现延性域加工，得到没有或几乎没有微裂纹的高质量表面.加工尺度 (切屑厚度/切削深度)必须小于某一临界值，这是实现脆性材料延性域加工的一个非常重要的条件.研究人员根据不同的加工条件提出了多个用来确定临界加工尺寸 (临界切屑厚度/切削深度)的分析模型.

Bifano等[1]根据断裂力学的Griffth裂纹扩展判定准则和压痕试验的材料脆性测量原理，提出了脆性材料延性域磨削临界切削厚度经典模型dc=β(E/H)(K1c/H)2.其中:E、K1c、H分别为材料的弹性模量、断裂韧度和硬度;β是无量纲的材料常数.并以磨削表面裂纹10%时作为延性域磨削实现的判据.

该模型是应用显微压痕法建立起来的，缓慢的载荷施加过程近似于静态，测出的材料断裂韧度K1c是静态值，这与实际磨削过程并不相符.在磨削过程中，磨粒与工件接触会产生很大的冲击作用，用静态断裂韧度K1c来研究动态裂纹产生、扩展的规律并不能正确反映材料在冲击载荷作用下的动态断裂特性.因此，有学者用材料的动态断裂韧性K1D代替材料的静态断裂韧性K1c[5]，并对四棱锥金刚石压头的作用面积进行修正，得出了新的临界切削深度表达式:dc=γ(K1D/H)2，其中:K1c、H分别为材料的动态断裂韧度和硬度;γ是常数.

上述模型都是以脆性材料的压痕试验为基础，用受法向力作用的金刚石压头模拟磨粒，得到的是延性域磨削的近似模型.大量的实验研究表明，脆性材料的临界切削深度不只是取决于材料的力学性能，而且与具体的加工条件，如磨削工艺参数、磨削方式、砂轮的磨料粒度、磨刃钝圆半径等密切相关.到目前为止，很多学者做了大量的脆性材料单颗磨粒磨削实验，当磨粒的切削深度由小逐渐增大时，都能出现脆性-延性转变，由于所用的实验条件不同，所得到的临界切削深度也不尽相同[6].

Nakasuji等[7]分析了刀具几何形状和加工条件对脆性材料延性域加工的影响，并建立了临界切削厚度分析模型 (如图6所示).

图6 临界切削厚度分析模型(车削)Fig.6 A critical undefomed chip thickness model of turning process

刀具几何形状和切削条件对材料内部的应力场状态有影响.刀尖圆弧半径、进给量、切削深度等会影响刀具与工件之间干涉区域的大小 (见图7).如果选择小的刀尖圆弧半径、进给量和切削深度，刀具与工件之间的干涉区域也就小，相应地，材料内部应力场尺寸也就变小，塑性变形有可能成为优先的变形机制.因此，进给量、刀尖圆弧半径等会影响临界切削厚度的大小.切削厚度的临界值其中:f是进给量;R是刀尖圆弧半径;x是刀尖圆弧顶点到脆性-延性转变点的距离.

图7 刀具与工件的干涉区域模型Fig.7 Interference region between tool and workpiece

文献 [7-8]认为，脆性材料的延性域加工并没有必要在整个切削过程中材料都要以塑性变形的方式去除，只要接近已加工表面的那一部分材料是通过塑性去除，就能获得镜面的光洁度.基于此，他们使用圆弧切削刃金刚石车刀进行脆性材料的车削试验，并提出了一个含有表层裂纹的加工模型 (如图8、图9所示).图8是车削三维模型，图9表示切削截面几何形状和临界切削厚度之间的关系.

图8 车削三维模型Fig.8 A 3D model of turning process

图9 带有表面微裂纹的车削模型Fig.9 A turning model with surface damaged depth

图9中，f是进给量;R是切削刃半径;dc是临界切削厚度;yc是裂纹长度;zeff是刀具中心线到脆性转变线的距离．由于使用的是圆弧刃刀具，从刀尖到待加工表面，切削厚度由零增加到最大值．当d小于dc时，材料通过塑性模式被去除，d大于dc时，材料开始发生脆性断裂．如果裂纹没有延伸到已加工表面 (见图9a)，这些裂纹将会在后续的切削过程中被去除，因此仍可以得到光滑表面.但如果裂纹延伸到已加工表面，将不能在后续的切削过程中被去除 (见图9b).在这个过程中，进给量非常重要，直接影响临界切削厚度dc的大小及裂纹延伸的位置 (见图10)．根据此加工模型建立了临界切削厚度dc的计算公式:

进给量越小，dc就越大，裂纹将沿着刀尖圆弧上移，越不容易扩展到已加工表面;进给量越大，dc就越小，裂纹将沿着刀尖圆弧下移，就越容易扩展到已加工表面 (见图9b).考虑到裂纹的影响，Blackley等[9]对式 (1)做了修正，并令zeff=0，得到最大进给量如果f大于fmax，则完全是脆性模式.

文献[7-8]提出的加工模型都是建立在圆弧切削刃车刀切削脆性材料的试验基础上.而Yan等[10]则认为，使用圆弧切削刃刀具使得进给量必须在很小的水平 (1 μm).对于给定的切削面积，小的进给量意味着切削距离的增大，必然会加剧刀具的磨损.因此，他们提出了一个基于直头车刀的加工模型 (如图10所示)，分析了刀具几何形状对延性域加工的影响，建立了主偏角k、临界进给量fc、临界切削厚度dc的关系表达式:fc=dc/sin k．如果主偏角控制的足够小，就可以实现大进给量的延性域车削．

图10 直头车刀加工模型Fig.10 Machining model of straight nose tool

Liu等[11]基于位错强化理论和应变梯度塑性理论分析了脆性材料切削过程中切屑的塑性变形机制.通过对切削区的切削力和几何形状的分析，考察了切屑变形区内裂纹的扩展和位错.研究结果表明，切屑塑性变形有两个原因:一是由于切屑变形区内的大的压应力和剪切应力削弱了材料的应力场强度因子KI，从而抑制了裂纹的扩展;二是由于位错强化和应变梯度而导致材料屈服强度的提高，使得工件材料能承受更大的切削应力而不会断裂.切屑变形区内要产生大的压应力必须满足两个条件:未变形切屑厚度要小;未变形切屑厚度要小于刀具切削刃半径.基于此，Liu等建立了脆性材料端面铣削临界切削厚度几何模型 (如图11所示)，并由此得出临界切削厚度值其中:a0是切削深度;f是进给量;R是刀尖圆弧半径.

图11 铣削加工示意图Fig.11 Schematic illustration of milling process

马春翔等[12]通过脆性材料沟槽切削试验，研究了超声波直线振动金刚石刀具和超声波椭圆振动金刚石刀具对脆性材料临界切削深度的影响，分析了超声波振动金刚石刀具提高脆性材料临界切削深度的原因，提出了用超声波振动金刚石刀具对脆性材料切削沟槽的模型 (见图12)，并且分别建立了在超声椭圆振动和超声直线振动金刚石刀具时的临界切削深度模型.理论分析和试验结果表明，与普通切削相比，超声波振动金刚石刀具切削脆性材料沟槽时能增大临界切削深度;并且在超声波椭圆振动金刚石刀具切削脆性材料沟槽时临界切削深度增大得更显著.

图12 脆性材料振动切削模型Fig.12 A model for vibration cutting of brittle materials

3 加工过程分子动力学仿真

分子动力学方法是研究微观现象的一种非常有效的理论方法，在很多领域的应用都已经非常成熟和完善.许多学者也应用这种方法来研究脆性材料的延性域加工，主要集中在切削、压痕、磨削过程的研究，以及脆性材料微细加工过程中脆性-延性转变规律和临界条件.

林滨等[13]对单晶硅的纳米磨削过程进行了分子动力学仿真，从微观的角度解释磨削过程中材料的去除机理和表面形成机理.研究表明，晶格重构原子与一部分非晶层原子堆积在磨粒的前上方，由于磨粒不断前移，形成磨屑而实现材料去除，处在磨粒前下方的非晶层原子在压应力作用下与已加工表层断裂的原子键结合重构形成已加工表面变质层;变质层由内外两层组成，外层为非晶层，内层为晶格变形层.另外，有学者[14]应用分子动力学仿真来研究磨粒加工过程的表面完整性，分析了磨粒加工对已加工表面的表面粗糙度、残余应力及裂纹的影响.

单晶硅切削过程的分子动力学仿真结果表明[15]，硅的非晶态相变是非弹性变形的关键原因;非晶态区域稳定的剪切应力是延性模式加工的必要条件，压应力场下稳定的剪切应力能抑制裂纹的扩展，切屑的去除过程与切削刃前端的剪切应力分布有关;切削刃前端的剪应力分布与切削深度有关;大切削刃钝圆半径 (相对于切削深度来说)和负前角在脆性材料切削过程中对产生塑性变形有益，有助于材料以塑性方式去除.

有学者对表面无缺陷的单晶硅微压痕和微切削过程进行了分子动力学模拟[16]，发现材料的去除方式是脆性还是塑性有两个临界标准:一是存在断裂面的拉应力或滑移面的剪切力;二是应力场的大小.

通过单晶硅压痕过程的分子动力学模拟[17]，可以看出，压痕过程的变形存在三个阶段:初期变形阶段，有位错产生，以弹性变形为主;中期塑性变形阶段，大量位错产生并堆积，并发生塑性变形;非晶层的形成阶段.

4 脆性材料延性域加工技术研究进展

1954年，KING等[18]首先提出了脆性材料的延性域加工特性.通过对岩盐等脆性固体的强度和摩擦学特性的实验研究，发现脆性固体在大的静水压力作用下，塑性屈服强度大大提高，脆性裂纹的扩展受到抑制，塑性变形成为材料表层的主要力学行为.

20世纪70年代，由于对精密磨削机制的深入理解，更多的脆性材料 (如玻璃、硅、陶瓷等)实现了延性域磨削.1987年，NCSU精密工程中心进行了单晶锗的单点金刚石切削实验，得到了延性-脆性迁移点临界值.随后，有关脆性-延性转变机理、超精密磨床、超精密加工运动机理、高性能砂轮等的研究成果也陆续发表.20世纪90年代之后，随着微车削、微铣削等精密微加工技术的发展，更多新的先进脆性材料 (Si3N4、SiC、WC)实现了延性域加工.

脆性材料延性域车削技术的研究主要集中在单点金刚石车削方面，机理研究侧重于刀具几何形状、切削参数等对脆性-延性转变的影响及临界条件[19-23].由于车削是单刃加工技术，切屑相对比较厚，而且脆性材料硬度高，加工性能差，所以脆性材料的延性域车削一般都采用金刚石等超硬材料刀具，刃口半径小，刀具前角为负前角 (-20°～-45°)，机床刚度好，精度高，可以得到纳米级表面光洁度.但是，金刚石车削刀具磨损严重，加工成本相对较高，因此工程上的应用受到限制.

微细铣削具有加工效率高、柔性大、能加工复杂三维形貌等优点，近年来脆性材料的微细铣削得到了越来越广泛的研究[24-27].国内外学者研究重点仍是侧重于加工机理，比如脆性-延性转变的临界切深及影响因素等.但由于铣刀的结构及铣削加工过程有自身的特点，脆性材料延性域铣削的机理明显不同于延性域车削.比如，应用球头铣刀对玻璃进行铣削实验时，刀具倾斜的角度会影响临界进给率.倾斜角为正时的临界进给率要大于倾斜角为负时的临界进给率，当倾斜角为45°时能获得最大的进给率.有学者认为，径向切深对临界切削厚度没有影响，径向切深增大时最大切削力也不会增加.也有学者认为，在延性域加工时比切削能随着切削深度的降低显著增大，而在脆性切削区比切削能变得比较平稳.因此，通过比切削能的变化可以预测临界切深，并且通过试验求出了三种材料的临界切深.研究结果还表明，切削深度与每齿进给量是影响加工过程中脆性-延性域转变的两个重要因素，切削时由于热软化效应，实验中获得的临界切削厚度要比理论中计算的要大.

磨粒加工是多点切削，磨刃的前角为负前角 (-15°～-60°)，一颗磨粒切下的切屑体积只有铣削时的1/50000～1/40000，所以在硬脆材料的延性域加工方法中，精密和超精密磨料加工在目前仍占据着主导地位[28-29].要实现脆性材料的延性域磨削，所有磨粒的切削深度必须小于临界切削深度，而由于磨粒在砂轮表面的分布、出刃高度、磨粒密度、磨粒几何形状等都具有随机性，另外，临界切削深度还取决于材料的物理特性，磨削的方式，磨床的精度、刚度和磨削工艺参数等.因此，到目前为止，人们对脆性材料延性域磨削过程中脆性-延性转变的特征、条件、临界切削深度、材料去除机理以及表面形成机理的认知非常有限.

单纯利用机械加工的方法实现脆性材料延性域加工存在着成本和效益的问题.近年来，在机械加工上施加多种形式的能量 (电能、热能、声能、化学能、光能及特殊机械能)而形成的复合加工技术在脆性材料延性域加工领域应用日益广泛.复合加工的主要技术方法有:切削复合加工、磨削复合加工、化学机械复合加工、电火花复合加工、电解复合加工、磁场辅助研抛加工等.其中，超声辅助振动加工技术及激光辅助加工技术在脆性材料延性域加工中的应用最受关注.

脆性材料只有在加工尺度小于某一临界值时，才能实现延性域加工.由于加工尺度的临界值在常规加工条件下很小，一般在1 μm的数量级甚至更小，这就导致加工效率低、加工时间长，而且在实践上很难控制.许多学者[30-38]的研究结果表明，超声振动辅助加工 (模型见图13)可以大大地提高脆性材料的临界切深.Klocke等用超声振动辅助加工 (UVAM)系统对玻璃进行切削，得到3 μm的临界切深;Gan等用1D超声振动加工系统在硅的延性域加工中得到2 μm的临界切深，表面粗糙度Ra达到100 nm;还有学者应用1D或2D超声振动辅助加工系统对SiC、WC进行延性域切削研究，分别得到3.5 μm和15 μm的临界切深.超声振动辅助加工之所以能够大大提高脆性材料的临界切深，主要是因为，在超声振动辅助加工过程中，刀具与工件的周期性分离大大地降低了切削力.低的切削力会减小微裂纹的扩展深度并远离已加工表面，有利于在后续的加工中被去除.微裂纹的扩展深度与临界切削厚度有关，减小微裂纹的扩展深度实质上是提高了临界切削厚度.

图13 超声振动切削模型Fig.13 Models of ultrasonic ribration machining

激光辅助加工 (LAM)技术也被用于脆性材料的延性域加工[39-42].脆性材料的临界切削厚度与工件材料的硬度成反比，降低工件材料的硬度会提高临界切削厚度.有学者利用高能量激光辅助系统对工件材料进行软化，聚焦的、能量密度很高的激光束照射到切削刀具前方的被切削材料，使之受热软化，然后用切削刀具把它切除.激光辅助加工包括激光辅助切削、铣削、磨削等，加工模型如图14所示，同传统加工方式相比，它具有降低材料的去除比能、切削力，减少残余应力、刀具磨损，避免刀具崩刃和材料裂纹等优点.目前对于激光辅助加工机理的认识还不深入，如材料去除时的温度分布以及温度是如何影响切削力、刀具磨损和表面质量，材料在高温下如何变形等.加工过程中热作用参数的控制，激光参数和切削参数之间的相互关系，对建立合理的热-机械模型至关重要，也有助于实现加工过程的在线控制.

图14 激光辅助加工模型Fig.14 Models of laser-assisted machining

5 结语

近几十年来，脆性材料的延性域加工技术已经成为新的研究热点，研究成果也达到了较高的水平.但是，由于加工过程非常复杂，影响因素非常多，脆性材料延性域加工技术的研究仍存在许多难点.未来的研究工作应该着重从以下几个方面展开:

1)丰富和发展脆性-延性转变机理.随着加工机床性能的不断提高，以及传感器技术不断发展，在加工过程中人们必然会发现更多的新现象、新结果，必须充分理解新现象、新结果背后的规律，不断地丰富和发展脆性-延性转变机理的认识.计算机和仿真技术的发展也将有益于人们对于加工机理的认识.

2)当前，脆性-延性转变的检测和判断大多是通过观察已加工表面形貌来确定，带有一定的主观性，有必要发展新的方法和手段实现脆性-延性转变的实时、在线的精确检测.Bifano等[43]提出用加工过程中产生的声发射能来判断脆性-延性转变.由于延性加工会比脆性加工具有更大的材料结合键的破坏，因而产生的声发射能也更大.因此，可以用检测到的声发射能来实现临界切削深度的控制.

3)发展新的加工技术，有效提高临界加工尺度.现在的临界加工尺度一般在微米/亚微米，甚至是纳米级，对加工机床的精度要求很高，在实践中也不易控制.是否能发展新的加工手段，在保证加工质量的同时，能大幅度地提高临界加工尺度，从而提高加工效率及扩大工程上的应用.超声振动辅助加工技术和激光辅助加工技术在脆性材料延性域加工中的应用已经越来越受到研究人员的关注.

4)研究人员虽然提出了多个临界加工尺度的分析模型，但这些模型都有一定的局限性，都必须满足一定的加工条件.随着人们对脆性-延性转变机理认识地不断深入，临界加工尺度的分析模型必然会更复杂、更精确，更具有普遍性.

5)由于材料结构的复杂性，人们对脆性材料延性域加工的表面完整性仍未有充分地理解和认识.未来的研究工作应更加关注材料表层次表层损伤的产生机制和评价.

可以预料的是，随着多晶材料、纤维增强基复合材料等先进脆性材料的出现，脆性材料延性域加工技术的研究内容将越来越丰富，广度和深度将达到一个更高水平.

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