簡介

制造業中經常提到的(de)“脆性(xing)(xing)(xing)”指(zhi)的(de)是材(cai)(cai)料(liao)(liao)因其獨特的(de)機械特性(xing)(xing)(xing)而歸為的(de)一(yi)類(lei)(lei)。高脆性(xing)(xing)(xing)，即低斷裂抗力，和(he)硬度是材(cai)(cai)料(liao)(liao)特性(xing)(xing)(xing)的(de)一(yi)種組合(he)，一(yi)方面影(ying)響著(zhu)這類(lei)(lei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)應(ying)用范圍(wei)，另(ling)一(yi)方面也決(jue)定了(le)它們的(de)加(jia)工性(xing)(xing)(xing)能(neng)和(he)可加(jia)工性(xing)(xing)(xing)。

脆性的影響因素

影響脆性材料機械(xie)行為的因(yin)素(su)有幾個：

1. 原(yuan)子(zi)排列: 固體可(ke)以是無(wu)(wu)(wu)定形或晶體結(jie)(jie)構。無(wu)(wu)(wu)定形結(jie)(jie)構中(zhong)，原(yuan)子(zi)隨機排列，玻璃、許多塑料和橡(xiang)膠就是無(wu)(wu)(wu)定形結(jie)(jie)構的(de)(de)例子(zi)。晶體結(jie)(jie)構則由原(yuan)子(zi)有序排列成(cheng)規則的(de)(de)三維晶格，陶瓷可(ke)以呈現這兩種結(jie)(jie)構。

2. 原(yuan)子(zi)(zi)鍵(jian)(jian)類型: 主導(dao)原(yuan)子(zi)(zi)鍵(jian)(jian)類型決定(ding)了材(cai)料傾(qing)向于韌(ren)性還是脆(cui)性行為。共價(jia)鍵(jian)(jian)限制(zhi)了電(dian)子(zi)(zi)的(de)移動能力，而塑性成型工藝需(xu)要大量電(dian)子(zi)(zi)的(de)位置(zhi)改(gai)變，因(yin)此大量共價(jia)鍵(jian)(jian)會導(dao)致脆(cui)性和硬(ying)度(du)，而金屬鍵(jian)(jian)（離子(zi)(zi)鍵(jian)(jian)）則導(dao)致韌(ren)性行為。

應用領域

脆性(xing)材料憑借其基本特性(xing)，在多(duo)個領域發揮著(zhu)重要作用（圖 1）。

常見脆性材料:

? 高性能陶瓷

? 玻璃

? 玻璃陶瓷

? 石(shi)英、藍寶石(shi)、CaF2

? 硅、鍺

? CMC（陶(tao)瓷基復合(he)材(cai)料(liao)）

主要特性:

? 低斷裂韌性

? 低斷裂應變

? 耐高溫

? 耐化學腐蝕

? 高硬度

圖1 脆性材料應用領域

1 脆性材料的磨削行為

相比于金屬材料，脆性材料的磨(mo)削性能由(you)于其獨特的特性而(er)存在很大差異。

與加工韌(ren)性材(cai)(cai)料(liao)不同，加工脆(cui)性材(cai)(cai)料(liao)時，我們假設(she)隨著(zhu)切深增加，材(cai)(cai)料(liao)的(de)破裂成為(wei)主導因素，即微裂紋(wen)的(de)形(xing)成和隨之(zhi)而來的(de)碎片剝落。

從(cong)根本上(shang)來說，在(zai)局(ju)部加載脆性材(cai)料（觀察微觀的切屑形成(cheng)區域）時，總是存(cun)在(zai)相(xiang)同的行為機制 - 裂紋萌生和(he)擴展(zhan)以及塑(su)性變形。

當刀尖深(shen)入脆性材料時，刀具材料上會形成徑(jing)向和橫(heng)向裂(lie)(lie)紋(wen)，如圖2 左圖所(suo)示。在(zai)這種(zhong)情況下，實際的(de)切屑去除是通過橫(heng)向裂(lie)(lie)紋(wen)導致的(de)材料剝落。而(er)軸向裂(lie)(lie)紋(wen)則會導致刀具外表(biao)(biao)面(mian)永久(jiu)性損傷。這種(zhong)通常質量檢測方法無法發現的(de)亞表(biao)(biao)面(mian)損傷會導致部(bu)件過早失效。

然而(er)，對(dui)于脆性材料，也(ye)可以實現韌(ren)性切屑去除（圖 2 右圖）。要(yao)做(zuo)到這一點，需要(yao)減小(xiao)切屑厚度，使其不超過以下(xia)公式(shi)指(zhi)定的臨界值 hcu,krit：

其中(zhong)，臨界切屑厚度由(you)材(cai)料的斷裂韌性 Kc、硬(ying)度 H 和彈性模量 E 決定 。

圖 2 脆性材料上的材料分離和(he)裂紋形成 

2 高性(xing)能陶瓷的磨(mo)削

陶瓷的種類及其特性

根據材料特性，陶瓷可分為氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和硅酸鹽陶瓷。氧化物陶瓷中，氧化鋁和氧化鋯（ZrO2）是工業上最重要的材料，具有良好的燒結性能，但耐熱性不如其他類型陶瓷。非氧化物陶瓷主要包括碳化物（碳化硼B4C、碳化硅SiC）、氮化(hua)(hua)物（氮化(hua)(hua)硅Si3N4）、硼(peng)化(hua)(hua)物和硅化(hua)(hua)物，它(ta)們具(ju)有(you)高共價鍵比例（5-40%），結(jie)合小原子間距(ju)離，使其具(ju)有(you)高化(hua)(hua)學和熱(re)穩定性，帶(dai)來(lai)高強度(du)(du)和硬度(du)(du)，但(dan)也(ye)限制了其延展性。硅酸(suan)鹽陶瓷(ci)又分為粗陶瓷(ci)和細(xi)陶瓷(ci)，粗陶瓷(ci)包括鎂(mei)質陶瓷(ci)、莫來(lai)石、石英(ying)或(huo)鋯(gao)石。細(xi)陶瓷(ci)包括玻璃陶瓷(ci)、滑石和堇青石。

陶瓷磨削與(yu)金屬磨削的差異

與金屬加工相比，陶瓷加工通常需要更高的加工力，尤其在垂直方向。堅固的機器和主軸系統是吸收這些力道的重要因素，否則過軟的系統會導致功能表面尺寸和形狀精度下降。此外，陶瓷加工對機器的保護要求更高，因為研磨過程中產生的磨料具有很強的磨蝕性。

陶瓷磨削的工具和工藝

許多研究探討了金剛石磨(mo)輪在(zai)陶瓷(ci)磨(mo)削(xue)中的(de)應(ying)用。由于金(jin)剛(gang)石對強(qiang)熱負(fu)荷(he)敏感(gan)，冷卻潤(run)滑劑的(de)供應(ying)變得更(geng)加(jia)重要。就結合類型而言，陶瓷(ci)磨(mo)削(xue)中 使用樹(shu)脂和金(jin)屬結合的(de)工具。樹(shu)脂結合磨(mo)輪雖然磨(mo)損更(geng)大，但加(jia)工力更(geng)低，通(tong)常(chang)能獲得更(geng)好的(de)表(biao)面質量和形狀精度(du)。金(jin)剛(gang)石顆(ke)(ke)粒尺寸通(tong)常(chang)在(zai)D7到D252之(zhi)間(jian)，大多數加(jia)工操作使用D91到D181之(zhi)間(jian)的(de)顆(ke)(ke)粒。陶瓷(ci)加(jia)工中的(de)金(jin)剛(gang)石濃度(du)通(tong)常(chang)在(zai)C75到C100之(zhi)間(jian) 。

陶瓷磨(mo)削的加工速度和精度

對(dui)于外圓(yuan)磨削(xue)(xue)，據報道，高(gao)性(xing)能陶瓷(ci)的最(zui)高(gao)特定(ding)材料去除率(lv)可達50 mm3/mms。其他磨削(xue)(xue)方(fang)式(shi)，例如平面磨削(xue)(xue)，可以實現更高(gao)的去除率(lv)，但并非(fei)典(dian)型(xing)方(fang)法。在(zai)陶瓷(ci)切屑去除過程(cheng)中，提高(gao)加工性(xing)能會(hui)同(tong)時(shi)導致加工力增(zeng)加。

3 玻璃加工

氧化(hua)物玻璃(li)中，共(gong)價鍵(jian)和離子鍵(jian)占(zhan)主(zhu)導地位。它們通(tong)常表現出強極化(hua)，這也是其(qi)特征(zheng)性脆裂去除行(xing)為的(de)原(yuan)因。如果材(cai)料移(yi)動導致這些(xie)鍵(jian)斷(duan)裂，玻璃(li)的(de)結構將(jiang)無法修復，而金屬的(de)自(zi)由電(dian)子可(ke)以(yi)形成(cheng)新(xin)的(de)鍵(jian)。

圖 3 展示(shi)(shi)了當磨料(liao)(liao)切削(xue)刃穿透(tou)玻璃(li)時，隨著切屑厚度增加，玻璃(li)的材料(liao)(liao)行(xing)(xing)為(wei)示(shi)(shi)意圖。在超過(guo)臨界切屑厚度，即引發微裂(lie)紋之(zhi)前，即使玻璃(li)為(wei)非晶(jing)結構，也仍可對其進行(xing)(xing)類似于延性(xing)加工(gong)的處(chu)理。通過(guo)這種加工(gong)方式，玻璃(li)也可以得到無損傷的外表面。

圖(tu)3 磨粒與玻(bo)璃嚙合時可能的移除機制 

據推測(ce)，為了實現延性材(cai)料(liao)去除(chu)并獲(huo)得靜水壓縮應力狀(zhuang)態，需要采用非常負的前刀角。除(chu)此之外，還(huan)有幾種(zhong)方法可以幫助減小(xiao)單個切屑厚度：

? 使用更小的粒度

? 更高的磨粒濃度

? 低進給率

? 低切深

? 高切(qie)削速度（只要(yao)避免熱損傷）

? 砂輪高徑(jing)向精度（需要(yao)使用超精密磨床）

? 均勻的輪廓（無(wu)裸(luo)露磨粒）

4 硅

單晶硅憑借其優異(yi)的物理化學特性(xing)、相對低廉的價格和近乎無限(xian)的可用性(xing)，在微電子半(ban)導體元件(jian)制造(zao)中(zhong)扮演著基礎材(cai)料的主角。

硅晶體呈鉆(zhan)石晶格結構，可(ke)以用兩個(ge)相互穿插的面心(xin)立方基(ji)本(ben)單元(yuan)描(miao)述，它們在每(mei)個(ge)方向上都偏(pian)移了四(si)分之一(yi)的邊長(chang)距離。

單晶硅的(de)機械(xie)性能受其各向異性鍵(jian)合力影響。例如，對于彈性模(mo)量(liang)，[100]、[010] 和 [111] 晶向的(de) E 值分別為(wei) 130.2 GPa、168.9 GPa 和 187.5 GPa。

鉆石(shi)晶格(ge)中(zhong)硅的共價(jia)(jia)鍵由于價(jia)(jia)電子嚴(yan)格(ge)局(ju)域化而高(gao)度穩定，因此(ci)這(zhe)種材料非常堅硬且脆。室(shi)溫拉伸試(shi)驗達到(dao)的變(bian)形特征值表明，硅在很大程度上(shang)表現出理想(xiang)/彈性行為(wei)，即總膨脹量很小。從宏觀角度來看(kan)，斷裂應力會在沒有(you)明顯塑性變(bian)形的情況(kuang)下直(zhi)接導致原子鍵斷裂和晶格(ge)破(po)壞（脆性斷裂）。

高溫(wen)(wen)研究表明，存在(zai)一定溫(wen)(wen)度(du)范圍，硅呈現塑性(xing)材料行(xing)(xing)為。脆性(xing)和韌性(xing)行(xing)(xing)為之(zhi)間(jian)的(de)轉變(bian)溫(wen)(wen)度(du)數據(ju)在(zai) 400 到 1000°C 之(zhi)間(jian)波動。在(zai)位錯密度(du)較(jiao)高的(de)情況(kuang)下，從脆性(xing)到韌性(xing)材料行(xing)(xing)為的(de)轉變(bian)會(hui)向更低的(de)溫(wen)(wen)度(du)方向移動。然而，即使在(zai)室溫(wen)(wen)下，在(zai)強(qiang)烈(lie)的(de)應力下，也可以在(zai)靠近表面的(de)晶體(ti)區域觀察到變(bian)形(xing) 。

硅主要用作晶片材料。晶片從硅單晶（錠）中分離，并在平面表面進行切屑去除。磨削分離后的晶片，通常采用包括預處理和后處理兩個步驟的二步法。首先進行粗磨，目的是去除分離后表面狀況非常差的晶片表面，并磨平凹槽。為此，通常選擇相對較粗的磨粒（合成樹脂或陶瓷結合劑中的 D46），以實現高材料去除率 (Qw = 100 至 200 mm3/s)。在這種情況下，如果外部區域的損傷深度小于后續精磨工藝的切深，脆性加工機制是可以接受的。精磨的最新技術是合成樹脂結合的 D6 磨粒。合成樹脂結合劑優于玻璃化結合劑。精磨時，通常選擇 Qw = 5 到 15 mm3/s 的低材料去除率。通過這種方式利用韌性加工機制，可以實現 Ra < 10 nm 的表面質量和小于 3 μm 的外部區域損傷，從而降低后續處理成本 。