磨削后的典型表面形貌如图1所示, 高倍照片如图2所示. 从图1中可以看出表面含有大量凹坑和微裂纹, 材料以脆性断裂模式去除, 空隙或裂纹的成形、延展、剥落及碎裂等形成磨削表面. 图中央偏上有一略平滑的犁耕区域, 面积约50 μm× 20 μm, 是分散在SiC中较软的硅(Si)相以塑性模式去除形成.

图1

Fig. 1

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	图1 RBSiC的典型磨削表面形貌Fig. 1 Typical ground surface of RBSiC

图2

Fig. 2

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	图2 不同轴向进给速度磨削表面的SEM照片Fig. 2 SEM images of surfaces ground at different down feeds(a) 0.9 μm/s, brittle fracture area; (b) 0.9 μm/s, furrow area; (c) 1.35 μm/s, furrow area

图1上圆圈内的凹坑直径约30 μm, 左侧两个凹坑内断裂特征明显, 坑底有孔洞和约5 μm垂直磨削方向的裂纹, 右侧是因气孔壁被压断而露出的坑底. 沿纵向扩展的裂纹系统诱发沿晶断裂和穿晶断裂, 导致晶粒剥落产生凹坑, 此外, 横向裂纹扩展到自由表面也形成凹坑^{[ 11, 12]}. 当凹坑数量增加, 互相串联、重叠, 会导致裂纹的扩大和损伤层的加深. 箭头所指为沿磨削方向的长直划痕, 向材料内部形成的大尺寸裂纹会导致镜片在运输、固定及抛光等操作中发生破损甚至报废.

轴向进给0.9 μm/s时, 脆性断裂区域特征见图2(a), 有大量裂纹及尖锐断裂特征; 图2(b)中磨痕方向一致, 为Si在磨粒推挤作用下形成的犁耕条纹, 伴有剥落凹坑和裂纹.轴向进给增大为1.35 μm/s的犁耕区域见图2(c), 单颗磨粒的切深增大, 沿磨痕形成长直划痕, 其两侧因晶粒拔出呈锯齿状, 伴有撕裂裂纹, 多个晶粒拔出或剥落形成凹坑.

R_a随砂轮轴向变化如图3所示, 可知轴向进给提高, R_a呈增加趋势, 但增幅不等.

图3

Fig. 3

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	图3 不同工作台转速下轴向进给对表面精糙度 Ra的影响Fig. 3 Influence of down feed on surface raughress Ra under different work table rotational speed

工作台转速为1.2和1.8 r/min时, 从0.9 μm/s到1.35 μm/s段, 由于磨粒平均切深较大, 致使砂轮与RBSiC的碰撞加剧, 砂轮发生断裂磨损, 即磨粒部分或整体断裂以及粘接剂去除导致尖锐切削刃的产生(自锐), 强化了切削能力, 并保持到磨削完成, 因此 Ra增幅提高. 而1.35到2.02 μm/s段, 磨削时砂轮在自锐后很快进入摩擦磨损阶段, 即磨粒被磨平, 切削效率降低, 表现为 Ra的增幅再次降低. 在转速较快时(2.5 r/min), 砂轮自锐作用提前到轴向进给0.68 μm/s; 而当轴向进给从0.9 μm/s再增大, 使砂轮在磨削过程中很快进入摩擦磨损状态, 致使 R_a增幅降低. 而在转速2.1 r/min, R_a随轴向进给增大近似呈线性增加, 说明磨粒的锋利程度能够始终保持, 未有摩擦磨损阶段出现, 磨削后砂轮无需修锐.

通常, 磨粒难以按设定值切入材料, 即砂轮轴的实际进给小于名义值, 致使主轴系统受法向磨削力作用产生弹性压缩变形. 光刀时, 随着材料去除, 法向磨削力释放, 表面状态得到改善. 光刀时长与 R_a关系如图4所示. 光刀初始, 法向磨削力由磨削参数决定, 因此光刀降低 R_a的效果也受前段磨削条件的影响. 由图4可知, 磨削后随即进行的光刀可使 R_a降低约40%, 但光刀1 min后, 继续光刀改善 R_a的作用不再明显.

图4

Fig. 4

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	图4 光刀时长对 Ra的影响Fig. 4 Influence of burnishing time on surface roughness Ra

利用界面粘接技术观察亚表面损伤^{[ 13]}, 得到垂直磨削表面的截面如图5所示. 表面为一层凸凹不平的破碎层, 是材料通过磨削去除形成的最终表面. 利用光学显微镜测量破碎层厚度得到, 用1.35 μm/s 进给速度磨削后的破碎层厚度为(91.2±17.1) μm, 比0.9 μm/s的(77.8±15.8) μm增加了17%. 数据为两试样共20个测量值的平均值.

根据材料理论去除率与轴向进给间的正比关 系^{[ 14]}, 计算得1.35 μm/s进给速度磨削材料的理论去除率是0.9 μm/s的1.5倍、0.68 μm/s的1.98倍. 也就是说, 如果采用1.35 μm/s进给速度磨削能将去除率提高50%, 但破碎厚度增加17%需要后续的抛光去除, 因抛光速度远低于磨削速度, 加工效率反而降低.

从图5可知, 从破碎边缘起始, 向材料内部延伸有大量几微米到十几微米不等的小型裂纹; 也有少量的未扩展到表面的横向和纵向裂纹, 约100 μm的横向裂纹见图5(a)左侧, 约80 μm的纵向裂纹见图5(b)最右侧. 这些裂纹是因SiC的高脆性使位错在破碎位置增殖而产生^{[ 15]}.

图5

Fig. 5

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	图5 两种轴向进给磨削后的试样截面形貌Fig. 5 Cross sections of the surfaces ground at different down feeds(a) 0.9 μm/s; (b)1.35 μm/s

磨削残余应力是由磨削过程中热载荷和机械载荷共同决定^{[ 16]}, 在磨削过程中这两种作用同时发生, 而残余应力的产生取决于主导机理, 最终得到的有可能是压应力或者张应力^{[ 17]}. 磨削后的表面残余应力值如图6所示, 图中2类试样在工作台上的放置方向与1类垂直, 中心一致.

图6

Fig. 6

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	图6 磨削表面的残余应力Fig. 6 Residual stress of different ground surfaces

对于1类试样, 纵坐标负号说明表面处于压应力状态, 机械载荷处于主导地位. 因SiC材料脆性大, 磨削产生了大量凹坑和裂纹, 部分应力被释放, 所以数值不到200 MPa. 从图6可见, 随着轴向进给增加, 1类试样的压应力数值近乎呈线性下降. 这是由于轴向进给增加, 机械载荷和热载荷作用均增加, 但磨粒切削深度的增加使冷却液更难渗透进磨削带, 削弱了冷却效果, 导致磨削区域的局部温度升高, 使热载荷作用增强, 抵消了部分机械载荷的作用.

图6还显示2类试样与1类试样的残余压应力改变达30%, 用1.35 μm/s磨削后甚至出现拉应力. 有研究表明, 机械刃的挤压使烧结SiC表面的弹塑性变形具有方向性, 致使残余应力具有较微弱的方向依赖性^{[ 18]}. 不同的是, 本实验中残余应力的方向性与热载荷作用相关. 因放置方向(加工方向)不同, 2类试样与砂轮的接触时间约是1类试样的6倍. 在磨削过程中, 磨削热沿砂轮移动方向传递, 累积热量使磨削带局部区域的散热较差, 热载荷作用增强, 尤其用1.35 μm/s磨削时, 热载荷作用成为主导, 表面呈张应力状态. 试样表面呈压应力状态有助于裂纹闭合并起到延迟开裂的作用, 而张应力则会促使裂纹开裂^{[ 19]}.

两种轴向进给下磨削试样的平均强度、标准偏差如图7所示, 图中用0.9 μm/s磨削比用1.35 μm/s磨削后试样的强度高, 标准偏差值略小. 试样放置方向不同, 强度数值不同. 通常, 磨削会在表面形成两类裂纹, 分别为平行于磨痕方向的长直大尺寸裂纹和垂直于磨痕方向的相对较短的裂纹^{[ 20]}, 因弯曲测试中张力轴与磨痕方向的差异导致强度存在方向依赖性. 虽然磨削后试样表面形成花纹形图案, 大尺寸裂纹与试样长轴不能绝对的平行和垂直, 但根据图7, 两种轴向进给下2类试样强度低(图7),说明其导致断裂的裂纹尺寸大于1类试样. 因此可以粗略认为长直裂纹会交于圆形工作台的中心.

图7

Fig. 7

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	图7 磨削试样的平均强度和标准偏差Fig. 7 Average strengths and standard deviations of the ground specimens

比较图6和图7中数据可知, 表面为残余压应力且数值较大的试样强度高, 而表面为张应力的试样强度最低.

根据0.9和1.35 μm/s磨削试样的粗糙度和强度数据可知, 表面粗糙度大的试样强度低. 由于磨削表面的粗糙度通常比较小, 即使整个磨削过程中的机械载荷和热载荷已经影响到磨削表面/亚表面层的物理机械性能, 也可能无法通过表面粗糙度及表面形貌表现, 因此有文献认为粗糙度与力学强度并没有单一的关系^{[ 21, 22]}, 强度主要由裂纹决定.

根据Newman模型的中心裂纹体应力强度公式^{[ 18]}

(1)

式中 σ_c——垂直裂纹受到的应力(临界断裂强度); f ——考虑到裂纹长宽比的形状参数, 划痕状裂纹 f =1.12; a_c——引起断裂的垂直裂纹的尺寸.

再将非线性载荷和残余应力分布进行加权数学合并^{[ 23]}, 计算得到用1.35 μm/s磨削试样的 a_c= 0.32 mm比0.9 μm/s磨制试样的0.20 mm大60%. 由于只进行了加权合并, 计算的裂纹尺寸不是真实尺寸, 但可以作为损伤的特征参数进行比较. 两参数韦伯分布如图8所示. 轴向进给由0.9 μm/s增加为1.35 μm/s, 韦伯模量 m由10.2降为4.5, 由于 m间接反应材料缺陷的分布状况, 因此 m值越小, 裂纹尺寸分散性越大, 材料可靠性越低.

图8

Fig. 8

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	图8 磨削试样的韦伯统计Fig. 8 Weibull distribution for the ground specimens