硬脆材料与难加工材料磨削课件.ppt

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1、磨削理论与工艺机械与运载工程学院2009.05硬脆材料与难加工材料磨削之第12章硬脆材料与难加工材料磨削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章硬脆材料与难加工材料磨削12.1工程陶瓷磨削12.1.1工程陶瓷的种类及材料特性12.1.2工程陶瓷磨削机理12.1.3工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性12.1.4加工条件对磨削特性的影响12.1.5工程陶瓷的镜面磨削12.1.6加工表面变质层的评价12.1.7工程陶瓷的复合加工12.1.8超声波振动磨削工程陶瓷4第12章硬脆材料与难加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的种类及材料特性工程陶瓷是三大工程结构材料之一

2、。它具有高硬度、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、重量轻、脆性大的特点。陶瓷种类繁多；工程陶瓷分氧化铝系、氧化锆系、氮化硅系、碳化硅系。常用工程陶瓷材料特性示于表12-1。工程陶瓷的结晶体是由共价键、离子键或两者混合组成。Si3N4、SiC中主要是共价键，Al2O3、ZrO2主要是离子键。共价键强的陶瓷塑性好，即使是在高温下其破坏韧性也不降低。离子键结合的陶瓷，其破坏强度依赖于温度的高低。共价键的方向性使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错发展的能力，陶瓷呈现高的硬度和弹性模量。5第12章硬脆材料与难加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的种类及材料特性6第12章硬脆材料与难加工材料磨削12.1.1工

3、程陶瓷的种类及材料特性破坏韧性是抗龟裂进展的抵抗值，陶瓷破坏韧性值越大，抗龟裂的能力越强。破坏韧性值小的容易产生破碎。SiC及Al2O3的破坏韧性小，在磨削加工中容易产生龟裂破碎破损。ZrO2的韧性值最大，磨削容易形成塑性流动型的破损。Si3N4是介在SiC与ZrO2之间，磨削时产生龟裂破损与塑性流动破损混合形式。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理为获得最优的磨削参数，需要掌握基本的磨削机理和磨削参数对工件表面损伤及机械性能的影响。多年来对陶瓷磨削机理的研究，绝大多数的研究集中在压痕断裂力学模型与切削模型近似。在压痕断裂力学模型近似中磨粒与工件相互作用的模型是建立在

4、理想化的裂纹系统和由压头所产生的变形的基础上的。切削模型近似则包括单刃和多刃切削力的测量，以及对磨屑的显微观察及对表面地貌的显微观察。这两种模型的建立都为研究陶瓷磨削机理提供了重要依据。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理1.压痕断裂力学模型压痕断裂力学模型近似是把陶瓷磨削中的磨粒与工件的相互作用看作小规模的压痕现象。在断裂力学中维氏四面体压头获得的变形和断裂图形如图12-1所示。在压头正下方是塑性变形区，从塑性区开始形成两个主要的裂纹系统，即中央／径向裂纹和横向裂纹。中央／径向裂纹通常导致材料强度降低，横向裂纹引起材料的去除。这种模型已从静载荷扩展为切向载荷（移动压

5、头）的情况。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹中央／径向裂纹的大小是使用解决表面点载荷弹性应力场的布欣尼奇（Cpvttjoftr）方法预测的。中央裂纹的扩展分解为弹性部分和不可逆（残余）部分。弹性部分产生中央裂纹并使其在加载中向下扩展，而残余部分是在压头回撤后使裂纹继续扩展。通过建立压头下由弹性基体包围的扩展塑性区压痕模型，可获得由尖端四面体压头加载卸载后的稳定裂纹大小C与加载力P的关系为H—材料硬度；E—材料弹性模量；Kc—材料断裂韧性；Ψ—压头相对棱边的夹角；ζ—常数。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理a.定

6、点压头作用下的中央/径向裂纹上式所表达的关系只适用于所加载荷大于使材料产生中央裂纹的临界状况。临界载荷P*为α、η、γ是常数。残余部分的残余应力是裂纹扩展的主要原因。残余应力的应力强度系数Kγ为X为常数，V1为压痕体积，V为塑性区体积。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹球面压头载荷与裂纹长度的关系为上两式分别预测了四面体压头时P与C的比例关系及球面体压头时P与C的比例关系。材料强度的降低通常是由中央／径向裂纹和残余应力的扩展作用引起的。靠近接触表面的残余压应力在次表面弹／塑性边界突然跃迁为拉应力，达到0.1～0.5H（硬度）。研究表

7、明由压痕引起的残余应力将使材料强度降低约30%。第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹根据断裂力学理论和综合考虑载荷对裂纹大小的影响与产生压痕后法向作用力对强度的影响，即可得到在四面体压头作用下的断裂强度δf：式中Y是一个与裂纹几何形状和方向有关的常数第12章硬脆材料与难加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹根据断裂力学理论和综合考虑载荷对裂纹大小的影响与产生压痕后