黃水泉，高 尚，黃傳真，黃 含

（1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

（2.昆士蘭大學(xué) 機(jī)械與礦業(yè)工程學(xué)院，澳大利亞 昆士蘭 4072）

（3.大連理工大學(xué),精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

磨粒加工是半導(dǎo)體、光電子、能源、光學(xué)、通訊和航空等領(lǐng)域中高性能元器件超精密制造的重要成形成性技術(shù)，其中超精密磨削技術(shù)由于其操作簡便、成本效益好、材料去除率高的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，尤其在以共價(jià)鍵或離子鍵結(jié)合的難加工脆性單晶、多晶和光學(xué)玻璃的超精密加工領(lǐng)域[1-6]。近年來，通過控制加工條件實(shí)現(xiàn)脆性材料加工表面/亞表面無裂紋損傷的延性域磨削技術(shù)吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1,4]，被認(rèn)為是一種可替代研磨和拋光的高效高表面質(zhì)量加工方法[7-11]。研究表明，如果在不影響加工效率的情況下將工件亞表層的損傷深度降至最低，可以極大地縮短后續(xù)損傷去除工藝的加工時(shí)間，以更低的成本獲得高精度高質(zhì)量的加工表面，進(jìn)而從根本上解決脆性材料經(jīng)濟(jì)、高效、低損傷超精密加工的難題[1,3]。

脆性材料的延性域磨粒加工本質(zhì)上可視為磨粒在納米尺度接觸劃擦工件，誘導(dǎo)工件表面材料以塑性形變方式去除[2]。本文所論述的“延性”不是嚴(yán)格意義上延性域加工所要求的加工過程中材料無斷裂或破碎發(fā)生，而是在加工脆性材料時(shí)允許切屑形成過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象，但是需要確保切屑的斷裂不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展延伸到已加工工件的亞表面。實(shí)際上，磨削加工不可避免地會(huì)在工件表面/亞表面產(chǎn)生永久性的損傷，并在工件的亞表面損傷區(qū)形成殘余應(yīng)力，進(jìn)而降低器件的使用性能和服役壽命，但延性域磨削可有效抑制脆性材料工件加工表面/亞表面的損傷。

本文基于納米壓痕和納米劃擦力學(xué)原理，闡明了脆性材料納米尺度磨粒加工的切屑形成和表面材料去除機(jī)制，分析了脆性材料無斷裂破碎去除的臨界域值，揭示了脆性材料脆–塑性轉(zhuǎn)變?nèi)コ幕驹?，論述了脆性材料單磨粒納米劃擦的形變和去除機(jī)制，概述了磨粒加工過程中脆性材料的去除機(jī)理及材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其局部變形及后續(xù)損傷去除的影響規(guī)律，提出了通過抑制斷裂來降低表面損傷深度，實(shí)現(xiàn)脆性材料高效、低損傷加工的控制策略。

1 脆性材料去除機(jī)理

1.1 脆性材料形變和去除機(jī)制

壓痕力學(xué)和劃痕力學(xué)是分析納米尺度磨粒加工的材料去除機(jī)理的理論基礎(chǔ)。圖1 分別為鈍磨粒和銳磨粒接觸劃擦脆性材料產(chǎn)生的形變和斷裂模式的示意圖，其中圖1a 為鈍磨粒作用于高脆性材料表面產(chǎn)生的間斷形式錐形裂紋[12]，圖1b 為銳磨粒劃擦高脆性材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生的中位裂紋、橫向裂紋和徑向裂紋，以及伴隨橫向裂紋及中位裂紋的塑性變形區(qū)[13-14]，圖1c 為銳磨粒劃擦相對(duì)更軟的脆性材料時(shí)產(chǎn)生具有微裂紋的近塑性形變[15]，圖1d 則為銳磨粒劃擦脆性材料時(shí)產(chǎn)生無裂紋的純塑性形變[1]。脆性材料的斷裂模式雖然有不同的類型，但圖1 給出了相對(duì)寬泛的損傷特性的示意圖?？偟膩碚f，圖1a 和圖1b 的斷裂模式常見于玻璃、脆性單晶和細(xì)晶粒多晶材料的磨粒加工中，圖1c 則多發(fā)生于具有相對(duì)更粗晶粒的多晶材料的磨粒加工過程中，而圖1d 則是脆性材料延性加工時(shí)亞表面裂紋被抑制的屈服形態(tài)。因此，實(shí)現(xiàn)延性域加工的關(guān)鍵是把握何種條件下磨粒加工能夠抑制脆性材料產(chǎn)生上述斷裂模式。抑制脆性材料裂紋產(chǎn)生的臨界接觸尺度一般小于1 μm，因此延性域磨粒加工通常屬于納米壓痕和納米劃擦范疇[16]。需要特別注意，圖1d 中的塑性變形區(qū)并非連續(xù)的塑性介質(zhì)，而是由離散的剪切斷層或作為早期裂紋萌生前體的位錯(cuò)或?qū)\晶滑移陣列組成[1-2]，因此延性域加工產(chǎn)生的損傷仍會(huì)降低元器件的機(jī)械強(qiáng)度和使用性能[17]。

圖1所示的脆性材料磨粒劃擦誘導(dǎo)的形變和斷裂模式為判斷脆性材料磨粒加工的表面材料去除方式提供了基本判據(jù)，其對(duì)應(yīng)的切屑形成及其去除過程如圖2所示[1-2]。圖2 中的前三種去除方式均涉及材料的斷裂機(jī)制。圖2a 為鈍磨粒多次重疊劃擦脆性材料導(dǎo)致表面材料破碎去除，雖然多次重疊劃擦?xí)?dǎo)致?lián)p傷累積，但能提高材料去除率[18]；圖2b 為銳磨粒劃擦脆性單晶和玻璃誘導(dǎo)產(chǎn)生橫向斷裂，橫向斷裂的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)表面材料的去除；圖2c 為銳磨粒作用于多晶上產(chǎn)生微裂紋，誘導(dǎo)晶粒脫落，實(shí)現(xiàn)材料去除。對(duì)于延性域加工而言，其理想的狀態(tài)是去除表面材料過程中亞表面無裂紋生成，材料通過位錯(cuò)滑移（晶體）或剪切斷層（玻璃）導(dǎo)致離子鍵或共價(jià)鍵斷裂，被擠壓到工件表面，實(shí)現(xiàn)材料去除，如圖2d所示。隨著接觸載荷的不斷減小，上述材料的去除機(jī)制最終可歸結(jié)為原子尺度的磨損去除[1]。

圖1 脆性材料磨粒劃擦誘導(dǎo)的形變和斷裂模式Fig.1 Deformation and fracture modes of brittle materials in translating blunt and sharp contacts

圖2 脆性材料去除模式[1-2]Fig.2 Removal modes of brittle materials[1-2]

1.2 脆塑性轉(zhuǎn)變機(jī)理及模型

脆性材料磨粒加工過程中延性去除的微觀機(jī)制一直是各國學(xué)者爭論的焦點(diǎn)。過去20 多年，大量的壓痕、劃擦、磨削試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究已經(jīng)證實(shí)脆性材料確實(shí)能夠以塑性形變方式被去除[19-23]。大多數(shù)脆性材料延性域去除的形變機(jī)制與金屬及合金相似，均涉及位錯(cuò)、孿晶和層錯(cuò)的形成及相變[7,24-25]。

為了實(shí)現(xiàn)脆性材料的延性域加工，圍繞如何根據(jù)工件材料特性確定延性域加工的臨界條件，各國學(xué)者建立了大量的理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中美國學(xué)者BIFANO、DOW 和SCATTERGOOD 提出的BDS 模型[19]被廣泛采用。BDS 模型源于壓痕斷裂力學(xué)理論，建立了脆性材料延性域磨削加工的臨界切深與工件材料的彈性模量、硬度和斷裂韌性之間的關(guān)系模型，提出了實(shí)現(xiàn)脆性材料延性域磨削加工的基本條件。圖3 為BDS 模型的基本原理示意圖，砂輪橫向進(jìn)給產(chǎn)生厚度為d的切屑，同時(shí)沿著切屑背部方向在待加工材料上產(chǎn)生深度為c的微裂紋。延性域磨削加工時(shí)，切屑肩處的裂紋是可以存在的，但該裂紋不能進(jìn)一步擴(kuò)展穿透到已加工表面。BDS 模型給出了脆性材料加工過程中切屑完全以延性方式去除時(shí)的臨界磨削深度dc，認(rèn)為當(dāng)加工過程中磨粒切削深度小于延性域加工的臨界切削深度時(shí)磨粒切削工件表面不會(huì)產(chǎn)生明顯斷裂，特別是圖1b 中所示的徑向裂紋、橫向裂紋和中位裂紋損傷會(huì)得到抑制。但最近HUANG 等發(fā)現(xiàn)BDS 模型在引用壓痕斷裂力學(xué)理論時(shí)有一個(gè)基本錯(cuò)誤，因此對(duì)BDS 模型進(jìn)行了更正，修改后的脆性材料脆–塑性轉(zhuǎn)變的臨界切削深度dc的計(jì)算模型可表示成[26]：

式中：λ約為8.7，是材料的脆–塑轉(zhuǎn)變因子；H是材料的硬度；E是材料的彈性模量；Kc是材料的斷裂韌性。HUANG 等[26]指出磨粒加工過程和材料微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，基于BDS 模型計(jì)算的dc值只能作為一個(gè)粗略的參考，但該模型在一定程度上闡釋了納米尺度切削深度對(duì)于實(shí)現(xiàn)脆性材料延性域磨削加工的必要性。

目前，實(shí)現(xiàn)脆性材料延性域磨削加工的保守策略是控制加工過程中的最大未變形切屑厚度hm不超過臨界值dc，如圖3所示。對(duì)于平面磨削，hm可通過如下公式計(jì)算獲得[27]：

圖3 脆性材料磨削加工示意圖Fig.3 Surface grinding of brittle materials with ductile machining

式中：νw和νs分別是砂輪的橫向進(jìn)給量和旋轉(zhuǎn)速度，a是磨削深度，ds是砂輪直徑，C是砂輪表面單位面積上的有效磨粒數(shù)量，r是切屑的寬度和厚度比值。hm和dc之間的關(guān)系可為延性磨削參數(shù)的確定提供指導(dǎo)，但也有一定的局限性[28]。盡管如此，因其簡單、明確的表達(dá)形式，hm–dc關(guān)系仍然是目前最為廣泛使用的評(píng)估材料去除機(jī)制是否處于延性域去除的判據(jù)[1]。

2 納米劃擦誘導(dǎo)的材料去除特性及機(jī)理

納米劃擦和納米壓痕試驗(yàn)均基于金剛石磨粒和工件材料的相互作用來分析材料表層的形變和去除機(jī)理，但壓痕過程僅對(duì)磨粒施加法向力，而劃擦過程需要對(duì)磨粒同時(shí)施加切向力和法向力，因此能夠更好地模擬磨粒加工過程中表面材料的去除過程。此外，納米劃擦是在納米尺度上對(duì)劃擦材料的表層進(jìn)行力學(xué)表征和分析，能夠分析材料表層單個(gè)位錯(cuò)和原子缺陷的形成及其演化規(guī)律，因此納米劃擦試驗(yàn)是探究機(jī)械負(fù)載下脆性材料形變和去除機(jī)制的重要方法[3]。

2.1 單晶

單晶Si、GaAs 等半導(dǎo)體材料是制造半導(dǎo)體元器件的重要襯底材料，超精密磨削是單晶半導(dǎo)體材料平整化加工和背面減薄加工的重要方法，單晶半導(dǎo)體材料的延性域加工一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。單晶半導(dǎo)體材料一般是典型的高脆性材料，其延性域磨削的臨界切削深度一般在幾納米至幾十納米[26]，因此往往需要使用超細(xì)粒度的金剛石砂輪進(jìn)行加工。圖4 為單晶材料脆性域納米劃擦的亞表面TEM 顯微圖。其中，圖4a 為尖銳金剛石壓頭在30 mN 法向力條件下劃擦單晶Si 的亞表面TEM 顯微圖。從圖4a 中可以看出：高接觸應(yīng)力作用下劃痕下方產(chǎn)生了明顯的塑性變形區(qū)，同時(shí)誘發(fā)形成了中位裂紋。圖4b 為鈍金剛石壓頭脆性域劃擦單晶GaAs 的亞表面TEM 顯微圖。同樣可以看出：高接觸應(yīng)力作用下GaAs 亞表面產(chǎn)生了中位裂紋，沿著垂直方向擴(kuò)展延伸至基體內(nèi)部[3]。

光通訊、探測器和激光器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的激光晶體是另一類被大量研究的單晶材料，此類單晶的原子結(jié)合鍵呈現(xiàn)一定的離子性，導(dǎo)致該類單晶的形變和斷裂呈現(xiàn)出更加明顯的各向異性特征，同時(shí)還具有相對(duì)更高的脆性[9-10]。圖4c 為激光晶體GGG 在尖銳金剛石壓頭劃擦誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生的亞表面損傷。由圖4c可知：盡管激光晶體GGG 的化學(xué)組分復(fù)雜，但單晶GGG 在脆性域的損傷形式與Si、GaAs 類似，均產(chǎn)生了塑性形變及中位裂紋，說明GGG 的表面材料去除方式也為脆性域去除[29]。

圖4 單晶材料脆性域納米劃擦的亞表面TEM 顯微圖Fig.4 TEM micrographs of nano-scratched subsurfaces of single crystal materials in brittle regime

當(dāng)壓頭的劃擦載荷足夠小，壓頭劃擦深度小于材料脆–塑性轉(zhuǎn)變臨界值時(shí)，脆性材料劃痕亞表面只會(huì)產(chǎn)生塑性形變，不會(huì)出現(xiàn)微裂紋。圖5 為單晶材料延性域納米劃擦的亞表面TEM 顯微圖。如圖5a～圖5c所示：盡管材料微觀結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致半導(dǎo)體晶體Si、GaAs 和激光晶體GGG 的滑移面不同，但在金剛石壓頭納米劃痕的肩部均出現(xiàn)輕微的材料堆積現(xiàn)象，并且亞表面損傷層都非常淺且無裂紋生成，表明上述半導(dǎo)體晶體和激光晶體都只發(fā)生了塑性形變，表面材料以延性方式被去除。高分辨TEM 檢測結(jié)果表明：劃擦作用下高脆性的單晶Si、GaAs 和GGG 亞表面的塑性形變主要是由于機(jī)械負(fù)載下材料發(fā)生了晶面滑移，形成了位錯(cuò)、層錯(cuò)和孿晶等原子尺度缺陷[3,30]。圖4 和圖5的研究清晰表明，通過調(diào)控劃擦載荷來控制磨粒的切削深度可實(shí)現(xiàn)脆性材料從脆性去除到延性去除的轉(zhuǎn)變。

圖5 單晶材料延性域納米劃擦的亞表面TEM 顯微圖Fig.5 TEM micrographs of nano-scratched subsurfaces of single crystal materials in ductile regime

2.2 多晶

Al2O3、SiC、Si3N4、AlN 和ZrO2等高硬度高脆性多晶陶瓷材料由于其優(yōu)異的材料性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、核工程、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)械系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)工程和生物工程等領(lǐng)域[31-35]，因此其磨粒加工特性近年來得到了廣泛關(guān)注[36-39]。圖6 為尖銳金剛石壓頭劃擦多晶AlN–2%Y2O3的表面SEM 顯微圖。由圖6 可知：尖銳磨粒機(jī)械劃擦AlN 時(shí)劃擦表面發(fā)生了圖2c所示的晶粒脫落，同時(shí)導(dǎo)致AlN 晶粒和Y2O3晶粒結(jié)合處產(chǎn)生了大量微裂紋，表明材料以準(zhǔn)延性方式去除[40]。研究發(fā)現(xiàn)，脆性域范圍內(nèi)此類去除模式在粗晶粒的多晶材料中更明顯，而晶粒尺寸較小的多晶材料的去除模式則更傾向于圖2b所示的橫向斷裂[41]。

圖6 尖銳金剛石壓頭劃擦多晶AlN–2%Y2O3[40]的表面SEM 顯微圖Fig.6 SEM of polycrystalline AlN–2%Y2O3[40]nano-scratched by sharp diamond indenter

2.3 光學(xué)玻璃

光學(xué)玻璃是制造先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)、太陽能電池板和觸摸屏的主要材料。在高性能光學(xué)元器件制造中，加工表面殘留微裂紋會(huì)影響器件的使用性能，甚至導(dǎo)致元器件失效，因此在光學(xué)元件的加工過程中，如何避免加工表面/亞表面微裂紋的產(chǎn)生尤為重要。光學(xué)玻璃在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)非晶態(tài)，且種類繁多。其中，含有各種氧化物添加劑的硅酸鹽玻璃具有低的斷裂韌性，是一類典型的高脆性材料，如何實(shí)現(xiàn)該類玻璃的延性磨粒加工是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的光學(xué)玻璃在機(jī)械載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的差異，可分為“正?！焙汀胺闯！眱深怺42-43]。正常型玻璃是指其力學(xué)響應(yīng)為常規(guī)的剪切誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生形變，如鈉鈣玻璃。反常型光學(xué)玻璃是指其力學(xué)響應(yīng)為壓力誘導(dǎo)作用下發(fā)生致密化，如熔融石英玻璃。對(duì)于反常型的光學(xué)玻璃，載荷作用下宏觀裂紋萌生的剪切變形被致密化取代，其斷裂破碎現(xiàn)象一定程度上被抑制。

玻璃的劃擦試驗(yàn)表明，機(jī)械載荷的減小有助于光學(xué)玻璃的去除機(jī)制由脆性斷裂去除向塑性變形去除轉(zhuǎn)變[44]。隨著金剛石壓頭銳度增加，鈉鈣玻璃表面材料的去除方式則由間斷錐形裂紋的脆性模式向只有塑性擠壓的延性模式轉(zhuǎn)變[45]。

3 磨粒加工誘導(dǎo)的材料去除特性及機(jī)理

脆性材料包括單晶、多晶、玻璃態(tài)非晶等多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響其加工過程中材料去除的難易程度和去除機(jī)制，因此深入理解不同脆性材料在磨粒加工過程中的材料去除特性及其微觀組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，是開發(fā)脆性材料高效率高表面質(zhì)量超精密磨粒加工技術(shù)的前提。

3.1 單晶

單晶半導(dǎo)體材料GaAs[46]、Ga2O3[47]和激光晶體材料YAG[9]脆性域磨削的亞表面TEM 觀測結(jié)果如圖7所示。由圖7a 和圖7b 可知：磨粒粒徑為20 μm 的粗粒度金剛石砂輪磨削的GaAs 和YAG 單晶亞表面產(chǎn)生了大量橫向裂紋和納米孔洞，導(dǎo)致工件表面材料以塊狀斷裂破碎的方式被去除。脆性域磨削可有效提高工件表面材料的去除率，但加工表面和亞表面質(zhì)量較差，顯著增加后續(xù)研磨和拋光等損傷去除工藝的加工時(shí)間。圖7c 為3 μm 粒徑金剛石磨粒磨削單晶Ga2O3的亞表面損傷形式。由圖7c 可知：磨削表層產(chǎn)生了200～300 nm厚的損傷層，且靠近磨削表面損傷層的晶格發(fā)生了嚴(yán)重扭曲變形，同時(shí)損傷層下方沿{200}晶面出現(xiàn)了一些垂直于工件表面的微裂紋。WANG 等[47]的研究進(jìn)一步表明，上述裂紋所在晶面和單晶Ga2O3的劃擦試驗(yàn)結(jié)果一致，均沿著{200}晶面。

圖7 單晶材料經(jīng)金剛石砂輪脆性域磨削的亞表面TEM 觀測結(jié)果Fig.7 Subsurface TEM micrographs of single crystals after brittle grinding with diamond grinding wheels

圖8 為延性域磨削單晶半導(dǎo)體材料Ga2O3[48]、GaN以及激光晶體材料YAG[9]、GGG[10]的亞表面TEM 觀測圖。對(duì)比圖8a 和圖8b 可知：由于晶體結(jié)構(gòu)的差異性，單晶半導(dǎo)體材料Ga2O3和GaN 的滑移面明顯不同，但其損傷形式都是無裂紋的塑性形變。高分辨TEM 的分析結(jié)果表明，納米晶、層錯(cuò)、孿晶以及位錯(cuò)是上述單晶半導(dǎo)體材料延性域磨削的主要損傷形式[48]。盡管單晶YAG 和GGG 等激光晶體由于其晶體結(jié)構(gòu)特性呈現(xiàn)出更高的脆性，但是延性磨削的單晶YAG 和GGG 亞表面同樣發(fā)現(xiàn)了類似單晶半導(dǎo)體材料的無裂紋損傷特征，如圖8c 和圖8d所示。高分辨TEM 檢測結(jié)果表明：延性域磨削激光晶體過程中產(chǎn)生的損傷形式主要是晶面滑移、位錯(cuò)和層錯(cuò)，同時(shí)還伴隨著納米晶和非晶相的產(chǎn)生[9-10]。單晶半導(dǎo)體材料和激光晶體的磨粒加工中，壓力誘導(dǎo)的加工表面層相變和非晶化會(huì)使工件表面材料軟化，進(jìn)而影響半導(dǎo)體和激光單晶的延性域加工[1]。此外，延性域磨削CdZnTe[49]和HgCdTe[50]等化學(xué)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的化合物單晶時(shí)，亞表面損傷形式也呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，進(jìn)一步表明單晶材料磨削損傷具有多樣性。顯然，不同晶體微觀結(jié)構(gòu)的差異性會(huì)增加加工過程建模的復(fù)雜性，進(jìn)而導(dǎo)致式（1）和（2）所確定的臨界閾值關(guān)系不一致。

圖8 單晶材料經(jīng)金剛石砂輪延性域磨削的亞表面TEM 顯微圖Fig.8 Subsurface TEM micrographs of single-crystal materials after ductile grinding with diamond grinding wheels

3.2 多晶

相較于單晶材料，多晶材料通常具有較高的斷裂韌性，是一類比單晶材料更容易加工的脆性材料[26]。細(xì)晶粒構(gòu)成的多晶材料一定程度上呈現(xiàn)各向同性的特性，其缺陷的尺寸較小，因而具有高的強(qiáng)度和硬度。此外，細(xì)晶粒多晶脆性材料與對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分相同的單晶材料相比，其晶粒網(wǎng)對(duì)裂紋擴(kuò)展具有一定的約束作用，導(dǎo)致呈現(xiàn)出高一些的斷裂韌性。粗晶粒多晶材料由于其固有的弱晶界，導(dǎo)致具有較高的長裂紋韌性，但容易產(chǎn)生微裂紋，因此在脆性域加工條件下表面材料更容易被去除[51-52]?？梢姡嘈圆牧系哪チ＜庸C(jī)理受材料微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。

多晶脆性材料種類繁多，其中具有等軸晶組織結(jié)構(gòu)的氧化鋁(Al2O3)[18,32,53-55]陶瓷的研究報(bào)道最多。在Al2O3陶瓷的脆性域磨削加工中，具有較大晶粒尺寸的Al2O3陶瓷通常以破碎和晶粒脫落的方式去除表面材料，加工效率較高，而具有較小晶粒尺寸的Al2O3陶瓷一般以橫向斷裂的方式去除表面材料[41]。另一類受到廣泛關(guān)注的多晶材料是可用來做假體生物材料的氧化鋯（ZrO2）陶瓷[56-60]。LEE 等[61]發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷在磨粒加工過程中的損傷去除模式與其晶粒尺寸及添加相有關(guān)，細(xì)晶粒Y–TZP 氧化鋯陶瓷的去除模式為脆性去除，粗晶粒Mg–PSZ 氧化鋯陶瓷的去除模式為準(zhǔn)延性去除，而中等粒徑Ce–TZP 氧化鋯陶瓷的去除模式則為延性去除。相較于其他多晶陶瓷材料，氧化鋯陶瓷的硬度更低，更容易實(shí)現(xiàn)延性域磨削[26]。另外，ZrO2的低導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致磨削過程中切屑形成區(qū)的溫度較高，改善了去除過程中材料的延性狀態(tài)[59]。

近年來，多晶材料碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷由于其高的強(qiáng)度、低的密度以及耐高溫性能在航空航天、微電子、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖9 為多晶SiC陶瓷磨削表面的SEM 觀測結(jié)果。由圖9 可知：隨著最大未變形深度的減小，磨削表面的材料去除方式由以斷裂破碎和晶粒脫落為主的脆性去除向準(zhǔn)延性去除轉(zhuǎn)變[62]。由圖3 可知：最大未變形深度hm的減小，dc位置也隨之向待加工表面方向移動(dòng)，有助于抑制切屑形成過程中微裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而獲得較好的磨削表面。LI等[63]的研究表明，多晶SiC 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)尺寸同樣也會(huì)影響其磨削過程中的形變和材料去除方式。相較于均勻致密的細(xì)晶粒SiC 陶瓷，具有弱界面非均相的粗晶粒SiC 陶瓷更容易發(fā)生準(zhǔn)塑性形變，脆性域范圍內(nèi)更容易加工[64-65]。學(xué)者對(duì)多晶SiC 陶瓷的延性磨削開展了大量研究，但即使嚴(yán)格地控制磨削參數(shù)來減小磨粒切削深度，仍未能取得令人滿意的效果[66-67]。Si3N4陶瓷主要用于制造高端裝備的軸承和滑動(dòng)導(dǎo)軌。相較于SiC 陶瓷，材料晶粒取向是影響氮化硅損傷特性的重要因素之一。Si3N4陶瓷在磨削過程中的材料去除行為受晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)影響而呈現(xiàn)出不同的去除形式，細(xì)晶粒Si3N4陶瓷磨削表面更容易產(chǎn)生宏觀裂紋，而粗晶粒Si3N4陶瓷磨削表面傾向于誘發(fā)微裂紋[39,68]。HUANG 等[69-70]研究發(fā)現(xiàn)，高速磨削和短脈沖激光束加熱可以有效改善陶瓷材料的延展性，改善其加工特性。

圖9 單晶金剛石磨削多晶SiC 陶瓷[62]表面的SEM 觀測結(jié)果Fig.9 Surface SEM micrographs of polycrystalline SiC ceramics[62]ground by single crystal diamond

3.3 光學(xué)玻璃

光學(xué)玻璃是典型的高脆性非晶材料，其延性域臨界切削深度dc通常小于40 nm[26]，顯著低于多晶材料的臨界切削深度，因此實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃的延性加工是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。光學(xué)玻璃的磨粒加工試驗(yàn)表明，隨著磨粒粒徑的減小，玻璃表面的材料去除機(jī)制可由脆性破碎去除向塑性流動(dòng)去除轉(zhuǎn)變。圖10 為固結(jié)磨粒研磨硅酸鹽玻璃表面的SEM 顯微圖，其中圖10a 是粒徑為15.3 μm 的碳化硅磨粒在25 N 負(fù)載條件下研磨的工件表面，圖10b 則是粒徑為2.5 μm 的碳化硅磨粒在相同載荷作用下研磨的工件表面[71]。通過降低磨粒粒徑，表面材料的去除模式可實(shí)現(xiàn)由脆性向延性的轉(zhuǎn)變，但加工效率隨之降低。

圖10 固結(jié)磨粒研磨硅酸鹽玻璃[71]表面的SEM 顯微圖Fig.10 SEM micrographs of BK7 optical glass[71]surfaces lapped with fixed abrasive

盡管生產(chǎn)成本較高，但熔融石英玻璃憑借其優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能在光學(xué)元器件制造中得到廣泛應(yīng)用。石英玻璃在加工過程中具有致密化形變的特性，導(dǎo)致其延性磨削比普通硅酸鹽玻璃更加困難。BIFANO 等[19]通過降低工件的橫向進(jìn)給速度(37.5 nm/r到2.0 nm/r)，將石英玻璃的磨削損傷從大量脆性破碎轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫優(yōu)橹鞯膿p傷模式。相較于石英玻璃和硅酸鹽類玻璃，用于制造探測器、傳感器、光譜儀、熱成像設(shè)備和激光器鏡頭的非硅酸鹽類玻璃(氟化鈣、氟化鎂、硫化鋅和硒化鋅等)由于其較低的硬度，更易于實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工。

4 關(guān)鍵問題及展望

脆性材料延性域磨粒加工是一種能夠顯著提高加工表面完整性、降低制造成本的加工技術(shù)。自1991年BIFANO 等[19]首次報(bào)道延性域加工技術(shù)以來，該方向的相關(guān)工作得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究，但對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)與其延性域磨削關(guān)系的研究鮮有報(bào)道。因此，有必要對(duì)脆性材料磨粒加工的去除機(jī)制開展深入研究，尤其對(duì)于高度各向異性的單晶、多晶和玻璃等脆性材料，以便充分實(shí)現(xiàn)延性磨削技術(shù)的潛力。多晶材料的形變過程以及晶界與微觀結(jié)構(gòu)的相互作用也是未來有待系統(tǒng)研究的領(lǐng)域之一。結(jié)合先進(jìn)的SEM、TEM 和AFM 觀測技術(shù)，借助于納米劃擦試驗(yàn)、有限元模型(FEM)、離散元模型(DEM)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模型等，可以有效地探索不同脆性材料磨粒加工過程中的切屑形成機(jī)制[10,48,72-75]。特別注意的是，單磨粒劃擦和實(shí)際磨削過程中多磨粒多次劃擦之間的聯(lián)系仍有待進(jìn)一步研究。

脆性材料的脆塑性轉(zhuǎn)變預(yù)測模型需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，盡管可以采用BDS 修正模型[26]計(jì)算臨界切削深度dc，但該模型有一定局限性?；趲缀侮P(guān)系推導(dǎo)的最大未變形切屑厚度(hm)模型同樣受到一些限制。需要進(jìn)一步研究dc和hm的相關(guān)性。dc的推導(dǎo)過程中隱含的不確定性主要來自接觸力學(xué)中連續(xù)體塑性的假設(shè)；材料特性的測定(特別是斷裂韌性)取決于微觀結(jié)構(gòu)的差異性，因此具有不確定性；hm模型的推導(dǎo)也存在不少基于理想狀態(tài)的假設(shè)。另外，納米尺度上檢測亞表面微裂紋較困難，而僅從磨削表面的直接觀測中又很難發(fā)現(xiàn)亞表面微裂紋，導(dǎo)致上述兩種模型的預(yù)測結(jié)果和直接實(shí)驗(yàn)確定的臨界切削深度不同。因此，有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立更全面更完整的預(yù)測模型[1]。

單晶材料基本上沒有微觀結(jié)構(gòu)缺陷，但不同晶面和晶向的性能往往表現(xiàn)出明顯的各向異性，導(dǎo)致單晶材料的變形和去除機(jī)制會(huì)隨著晶面和晶向的不同而發(fā)生明顯的變化[76-77]，如單晶SiC，其Si 面和C 面的加工特性呈現(xiàn)出明顯差異[78]。因此，根據(jù)單晶材料結(jié)構(gòu)體系建立解析模型和材料微觀結(jié)構(gòu)之間更全面的關(guān)系，深入了解晶體取向?qū)ρ有阅ハ骷庸さ挠绊懯俏磥硇枰芯康恼n題之一。

從工程角度來說，選擇一種具有最佳磨粒形貌和尺寸的金剛石砂輪是非常重要的[79-81]。通常，采用細(xì)粒度金剛石砂輪可以產(chǎn)生較小的亞表面損傷，獲得更好的表面完整性，但超細(xì)粒度砂輪磨削時(shí)存在砂輪磨損快，易產(chǎn)生磨削燒傷等問題。粗粒度金剛石砂輪適合于大余量的材料去除加工，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重表面/亞表面損傷，進(jìn)而增加后續(xù)損傷去除工藝的加工時(shí)間，增加整體制造成本。此外，選擇合理的磨粒形貌有助于實(shí)現(xiàn)延性域磨削，較鋒利的磨粒更適合加工硅、玻璃等硬度較低的脆性材料，而較鈍的磨粒則更適合加工藍(lán)寶石、碳化硅等硬度較高的脆性材料[82]?？偟膩碚f，針對(duì)不同脆性材料特性，選擇合理的砂輪磨粒形狀和尺寸是實(shí)現(xiàn)延性域磨粒加工的重要因素之一。

總之，必須全面深入地理解脆性材料磨粒加工過程中表面材料的形變和去除機(jī)制，才能夠提出兼顧表面質(zhì)量和加工效率的合理工藝方案。盡管不可能完全消除晶體加工表面/亞表面損傷，但優(yōu)化磨削工藝時(shí)應(yīng)以最小化亞表面損傷為最終目標(biāo)，同時(shí)兼顧較高的加工效率。

5 結(jié)論

本文概述了單晶、多晶和非晶等典型脆性材料在納米劃擦和磨粒加工誘導(dǎo)下的形變和去除特性及行為，總結(jié)了不同力學(xué)性能的脆性材料在鈍磨粒和銳磨粒接觸劃擦的典型形變及其表面去除模式。本綜述的分析結(jié)果表明，納米劃擦誘發(fā)的材料形變和去除模式的轉(zhuǎn)變與實(shí)際磨粒加工過程中材料的形變和去除模式基本相同，基于納米劃擦研究揭示的脆性材料形變機(jī)制及其去除機(jī)理可指導(dǎo)和優(yōu)化相同材料的實(shí)際磨粒加工工藝，縮短磨削、研磨和拋光等磨粒加工工藝的開發(fā)和優(yōu)化時(shí)間，進(jìn)而提高脆性材料元器件的表面完整性、降低制造成本。主要的結(jié)論如下：

（1）當(dāng)磨粒切削深度足夠小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)脆性材料的延性域去除，延性域去除的臨界切削深度可以采用修正的BDS 模型預(yù)測[26]。

（2）單晶、多晶、玻璃等不同脆性材料的微觀結(jié)構(gòu)差異性顯著影響延性域磨削的臨界條件，目前磨粒臨界切削深度模型和切屑最大未變形厚度模型均沒有考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，因此式（1）和（2）只能粗略的估計(jì)延性域磨削的加工參數(shù)。未來需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究材料微觀結(jié)構(gòu)特性，如晶體取向（單晶）、晶粒間相互作用（多晶）以及空洞缺陷等，對(duì)材料去除機(jī)制的影響。

（3）可控的納米劃擦試驗(yàn)是針對(duì)特定材料開發(fā)高效率高表面質(zhì)量磨粒加工技術(shù)的有效手段，結(jié)合掃描電鏡、透射電鏡和原子力顯微鏡等先進(jìn)觀測技術(shù)，納米劃擦試驗(yàn)?zāi)軌虼_定材料延性域加工的臨界條件和損傷演化規(guī)律，但需要注意納米劃擦試驗(yàn)和實(shí)際磨粒加工時(shí)應(yīng)變率和溫度差異造成的影響。

（4）近年來延性域磨削的研究主要集中在Si、Ge、SiC、Al2O3、GaN、Ga2O3和YAG 等脆性單晶材料，但現(xiàn)有的研究仍不夠系統(tǒng)。為了滿足加工質(zhì)量日益嚴(yán)格的要求，磨粒加工領(lǐng)域應(yīng)該更加密切地關(guān)注脆性材料納米尺度延性去除的基本原理。此外，磨粒形貌和尺寸對(duì)脆性材料延性域加工的影響是未來需要重點(diǎn)研究的問題。