CN102564336A - 一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，包括以下步骤：1)首先在基盘上粘贴一薄垫片，并选用抛光后表面超光滑无划痕硬脆陶瓷材料切片作为工件切片，将所述工件切片架到该薄垫片上粘贴，所述工件切片形成一微小斜坡；2)研磨盘的粒度号，加工载荷、加工转速及加工液都与实验加工情况相同，加工时磨粒在工件切片的表面形成由浅至深的微切痕；3)采用白光干涉仪来跟踪观测加工过渡区内磨粒切痕，寻找塑脆性转变特征明显的磨粒切痕，找到首先出现破碎状裂纹处，对此破碎状裂纹处进行二维轮廓分析，所述破碎状裂纹的切痕深度定义为该硬脆陶瓷材料的临界切削深度。本发明检测精度高、可靠性良好。

Description

一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法

技术领域

本发明涉及硬脆陶瓷材料的塑性域加工工艺领域，尤其是一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法。

背景技术

硬脆陶瓷材料塑性域加工，工件加工后表面质量好，表面与亚表面损伤层小。但其完全塑性域加工，要求所有磨粒的切削深度都在临界切削深度以下。因此，硬脆陶瓷材料临界切削深度是其实现塑性域加工的关键指标。

根据文献检索，以往对硬脆陶瓷材料临界切削深度是根据压痕断裂力学进行研究的，即以一定的垂直力将金刚石压头压入材料内部一定的深度，观察材料的变形情况，以分析先进陶瓷材料在载荷作用下的断裂机理。在压痕实验的加载到卸除一个完整的循环中，破坏裂纹由产生到扩展的过程如图1所示。

从图1中可以看出，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。当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆性裂纹。在这个转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷称为临界载荷，如图1(c)状态时，此时压头压入的深度称为临界压入深度。当磨粒对材料的作用力限制在图1(c)所示的状态以下，即可实现表面无裂纹的塑性域加工。如将磨粒对材料的作用力限制在图1(a)所示的状态以下，即磨粒切削深度在临界切削深度以下，则可实现亚表面无裂纹的完全塑性域加工，表面只有一层极薄的非晶层。

到目前为止，很多学者针对各种硬脆陶瓷材料做了大量的微纳米划痕实验，当压头的切削深度由浅逐渐变深时，都能出现脆性-塑性转变，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。加工载荷、压头尖端形状等因素与临界切削深度直接相关，而实际磨粒形状与压头形状差别较大，且磨粒对工件的切削状况与压头的微纳米划痕试验情况区别较大，因此微纳米划痕试验并不能准确地反映材料的临界切削深度。目前实际加工条件下临界切削深度还需要进一步研究。

发明内容

为了克服已有硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测技术的检测精度较差、可靠性较差的不足，本发明提供一种检测精度高、可靠性良好的硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

1)工件微小斜坡的构建：首先在基盘上粘贴一薄垫片，并选用抛光后表面超光滑无划痕硬脆陶瓷材料切片作为工件切片，将所述工件切片架到该薄垫片上粘贴，所述工件切片形成一微小斜坡；

2)磨粒切痕加工实验：研磨盘的粒度号，加工载荷、加工转速及加工液都与实验加工情况相同，加工时磨粒在工件切片的表面形成由浅至深的微切痕；

3)磨粒切痕的跟踪观测分析：采用白光干涉仪来跟踪观测加工过渡区内磨粒切痕，寻找塑脆性转变特征明显的磨粒切痕，找到首先出现破碎状裂纹处，对此破碎状裂纹处进行二维轮廓分析，所述破碎状裂纹的切痕深度定义为该硬脆陶瓷材料的临界切削深度。

进一步，所述步骤1)中，所述微小斜坡的角度为0.3°～1.2°。

再进一步，所述步骤1)中，将垫片摆放位置与研磨盘加工时旋转方向匹配，以保证磨粒从浅至深形成微切痕。

本发明的有益效果主要表现在：(1)加工情况一致。临界切削深度与加工条件紧密相关，本发明的检测过程与实际加工条件相一致；(2)果准确度高。检测结果采用白光干涉仪Wyko NT9800来跟踪观测磨粒切痕。NT9800分辨率高，检测精度极高，分析结果准确。

附图说明

图1是本发明中尖锐压头下材料裂纹发展过程的示意图，其中(a)表示压头在接触区产生非弹性变形区，(b)表示变形流动将发展成为中位裂纹；(c)表示载荷进一步加大使裂纹成比例扩展；(d)表示载荷减小时，中位裂纹开始闭合；(e)表示载荷继续减小，应力失配导致产生横向裂纹；(f)表示卸载后，横向裂纹继续扩展形成切屑脱离工件；

图2是本发明中微小斜坡磨粒切痕实验原理图。

图3是本发明中磨粒的切削刃圆半径的示意图。

图4是本发明中微小斜坡切痕塑脆性变化过程示意图。

图5是图4的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图2～图5，一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，该方法采用了与实际加工条件一致的微小斜坡加工实验，并通过白光干涉仪来跟踪观察工件表面微切痕，研究硬脆陶瓷材料在磨粒加工过程中脆性-塑性转变的过程和特征，分析磨粒切削刃尺寸、加工参数等对其临界切削深度的影响，并且得到该硬脆陶瓷材料的临界切削深度。

所述检测方法包含以下步骤：

1)工件微小斜坡的构建：首先在基盘1上粘贴一薄垫片2，粘结剂采用石蜡。并选用抛光后表面超光滑无划痕硬脆陶瓷材料切片3，将工件切片3架到该薄垫片2上粘贴，如图2所示。这样使工件切片形成一微小斜坡，加工时磨粒可在工件表面形成由浅至深的微切痕，如图5所示。为了使磨粒形成的切痕深度变化缓慢，需控制微小斜坡的角度，可对粘上的垫片进行研磨以控制垫片厚度，本发明中都将垫片的厚度加工至100μm，微小斜坡的角度约为0.6°。同时还应将垫片摆放位置与加工时研磨盘旋转方向匹配，以保证磨粒从浅至深形成微切痕。

2)磨粒切痕加工实验：微小斜坡磨粒切痕的实验平台采用与实际研磨加工同一实验平台，以保证和实际加工的一致性。同时研磨盘的粒度号，加工载荷、加工转速及加工液都与实验加工情况相同，加工10分钟。

3)磨粒切痕的跟踪观测分析：采用白光干涉仪Wyko NT9800来跟踪观测加工过渡区内磨粒切痕，寻找塑脆性转变特征明显的磨粒切痕。并找到首先出现破碎状裂纹处，将此定义为材料的脆性-塑性临界点，并对此处进行二维轮廓分析，将此切痕深度定义为该硬脆陶瓷材料的临界切削深度。

实例1：单晶硅临界切削深度不仅与其本身材料特性有关，还有其它众多影响因素。其中不同宽度切痕的塑脆性转变切削深度是不同的，一般宽的切痕易产生脆性断裂，窄的切痕容易塑性切削，通常认为切痕宽窄是由磨粒粒度大小决定。然而在加工区的检测中会发现，有的宽切痕在切削深度较深时工件仍是塑性切削，有的窄切痕在切削深度较浅时就出现脆性断裂现象，因此需综合考虑了切痕的宽度和深度。由于工件切痕形状如圆刃切削形成，而磨粒尖端圆刃的刃圆半径综合考虑了切痕的宽度和深度两方面因素，如图3所示，因此磨粒的刃圆半径可能是影响单晶硅临界切削深度的重要因素。

本例采用1500#的磨具进行实验。在过渡区中有众多磨粒的切痕，由于这些磨粒的粒径大小、切削方向及切削状态等不同，使得工件上的切痕塑脆性转变特征并不十分明显。因此，需从这些切痕中找出塑脆性转变特征明显的切痕，从这些特征明显的切痕中可发现其存在着三个明显的阶段，如图4所示。由第一阶段切痕较浅时，切痕边缘光滑，工件处于完全塑性切削状态。第二阶段切痕边缘出现断续破裂状，有时单边还出现隆起状态，此时工件处于塑脆性转变，在塑脆性转变阶段的切痕长度较长，大多穿过过渡区。第三阶段工件切痕边缘完全破碎，此时工件处于脆性去除状态。为测量临界切削深度，在切痕塑脆性转变分界处作二维剖面分析，将切痕在此处的深度值作为临界切削深度。为计算产生这一切痕磨粒的刃圆半径，假定这些切痕是未变形切痕，则磨粒的刃圆半径如图3计算。其中，r为磨粒刃圆半径，2b为切痕沟槽的宽度，t为沟槽的深度。

(r-t)²+b²＝r²               (4-1)

$r=\frac{t^2+b^2}{2t}---(4-2)$

1500#的磨具研磨后单晶硅的临界切削深度和相应磨粒的刃圆半径分别为0.0257μm和17.887μm。

实例2：单晶硅的主要晶面有{100}、{110}和{111}，其晶面的面间距、面密度和键密度都不同，因此单晶硅晶体具有各向异性的特点，{111}晶面具有最大的原子密度和最高的弹性模量，但面间距较大，面上的原子键密度低，{111}晶面之间则比较脆弱。{110}晶面的弹性模量和原子键仅次于{111}晶面。{100}晶面间距最小，键密度最大。因此常温下单晶硅晶体最易沿着{111}晶面解理，{111}晶面是第二解理面。目前半导体工业最常用的是{100}晶面及{111}晶面的单晶硅片。

采用1000#磨具对N型{111}晶面单晶硅进行微小斜坡研磨实验，根据检测后的切痕可估算出1000#磨具磨粒的刃圆半径为23.538μm，N型{111}晶面单晶硅的临界切削深度为0.0266μm。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：

1)工件微小斜坡的构建：首先在基盘上粘贴一薄垫片，并选用抛光后表面超光滑无划痕硬脆陶瓷材料切片作为工件切片，将所述工件切片架到该薄垫片上粘贴，所述工件切片形成一微小斜坡；

2)磨粒切痕加工实验：研磨盘的粒度号，加工载荷、加工转速及加工液都与实验加工情况相同，加工时磨粒在工件切片的表面形成由浅至深的微切痕；

3)磨粒切痕的跟踪观测分析：采用白光干涉仪来跟踪观测加工过渡区内磨粒切痕，寻找塑脆性转变特征明显的磨粒切痕，找到首先出现破碎状裂纹处，对此破碎状裂纹处进行二维轮廓分析，所述破碎状裂纹的切痕深度定义为该硬脆陶瓷材料的临界切削深度。

2.如权利要求1所述的一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述微小斜坡的角度为0.3°～1.2°。

3.如权利要求1或2所述的一种硬脆陶瓷材料临界切削深度的检测方法，其特征在于：所述步骤1)中，将垫片摆放位置与研磨盘加工时旋转方向匹配，以保证磨粒从浅至深形成微切痕。

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