隨著科技和工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨損、熱膨脹系數(shù)及絕緣性能等提出了更高的要求。而高技術(shù)陶瓷作為繼鋼鐵、塑料之后公認(rèn)的第三類主要材料，一直以來在突破現(xiàn)有合金和高分子材料的應(yīng)用極限方向被人們寄以厚望。其中，氮化硅陶瓷因具有優(yōu)異的低密度、高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了Z具發(fā)展?jié)摿εc市場應(yīng)用的新型工程材料之一，在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境中具有特殊的應(yīng)用價(jià)值，已被廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械、電氣電子、軍事裝備和航空航天等領(lǐng)域。但另一方面，工程陶瓷具有硬、脆的特性，使得其機(jī)械加工性能較差，因此磨削已成為陶瓷零件的主要加工方式。

      工程陶瓷在磨削過程中，工件的表面受剪切滑移、劇烈摩擦、高溫、高壓等作用，很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，從而在工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力將會(huì)直接影響工程陶瓷零件的斷裂應(yīng)力、彎曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能。工程陶瓷零件的斷裂應(yīng)力和韌性相比于金屬對表面的應(yīng)力更為敏感。關(guān)于殘余壓應(yīng)力或拉應(yīng)力對材料的斷裂韌性的影響，特別是裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展尚需進(jìn)一步的研究。零件表面/次表面的裂紋極大地影響著其性能及服役壽命。因此，探索工程陶瓷的殘余應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系就顯得尤為重要。

       Huli Niu等人為了獲得高磨削表面質(zhì)量的工程陶瓷，以氮化硅陶瓷為研究對象，進(jìn)行了一系列磨削實(shí)驗(yàn)。研究表明：

(1)提高砂輪轉(zhuǎn)速、減小磨削深度、降低進(jìn)給速率有利于減小氮化硅陶瓷的縱向裂紋擴(kuò)展深度。氮化硅陶瓷工件在磨削后，次表面的裂紋主要是縱向裂紋，該裂紋從多個(gè)方向逐漸向陶瓷內(nèi)部延伸，Z終導(dǎo)致次表面損傷。

(2)氮化硅陶瓷表面的殘余壓應(yīng)力隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加、磨削深度和進(jìn)給速度的減小而增大。平行于磨削方向的殘余壓應(yīng)力大于垂直于磨削方向的殘余壓應(yīng)力。

(3)砂輪轉(zhuǎn)速和磨削深度的增加、進(jìn)給速率增大時(shí)，磨削溫度有升高的趨勢。在磨削溫度從300℃上升到1100℃過程中，表面殘余壓應(yīng)力先增大后減??；裂紋擴(kuò)展深度先減小后增加。在溫度約為600℃時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力Z大，裂紋擴(kuò)展深度Z小。適當(dāng)?shù)哪ハ鳒囟瓤梢蕴岣叩杼沾傻谋砻鏆堄鄩簯?yīng)力并抑制裂紋擴(kuò)展。

(4)氮化硅陶瓷表面殘余壓應(yīng)力隨裂紋擴(kuò)展深度和表面脆性剝落程度的增加而減小。裂紋擴(kuò)展位置的殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力。它隨著裂紋擴(kuò)展深度的增加而增加。此外，殘余應(yīng)力沿進(jìn)入表面的距離在壓縮和拉伸之間交替分布，在一定深度處這種情況消失。

(5)通過調(diào)整磨削參數(shù)、控制合適的磨削溫度，可以提高氮化硅陶瓷磨削表面質(zhì)量。

      以上研究結(jié)果為獲得高質(zhì)量氮化硅陶瓷的表面加工提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。關(guān)于Huli Niu等人的該項(xiàng)研究工作，更多的內(nèi)容可參考文獻(xiàn)^[1]。

Figure 1. Grinding experiment and measuring equipment: (a) Experimental principle and processing;(b) SEM; (c) Residual stress analyzer.

Figure 6. Surface residual stress under different grinding parameters: (a) Wheel speed; (b) Grinding depth; (c) Feed rate.

上述圖片內(nèi)容均引自文獻(xiàn)^[1].

       作者在該項(xiàng)研究工作中所使用的殘余應(yīng)力檢測設(shè)備為日本Pulstec公司推出的小而輕的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀-μ-X360s。該設(shè)備采用了圓形全二維面探測器技術(shù)，并基于cosα殘余應(yīng)力分析方法可基于多達(dá)500個(gè)衍射峰進(jìn)行殘余應(yīng)力擬合，具有探測器技術(shù)先進(jìn)、測試精度高、體積迷你、重量輕、便攜性高等特點(diǎn)，不僅可以在實(shí)驗(yàn)室使用，還可以方便攜帶至非實(shí)驗(yàn)室條件下的各種車間現(xiàn)場或戶外進(jìn)行原位的殘余應(yīng)力測量。我們期待該設(shè)備能助力更多的國內(nèi)外用戶做出優(yōu)秀的科研工作！

小而輕的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀-μ-X360s設(shè)備圖

參考文獻(xiàn)：

[1] Yan H, Deng F, Qin Z, Zhu J, Chang H, Niu H, Effects of Grinding Parameters on the Processing Temperature, Crack Propagation and Residual Stress in Silicon Nitride Ceramics. Micromachines. 2023; 14(3):666. https://doi.org/10.3390/mi14030666