超精密切削中单晶脆性材料脆塑转变过程

　　20世纪90年代初，美国北卡罗莱纳州立大学的Blake和Scattergood等人初步实现了脆性单晶材料超精密切削加工[1]，在此基础上国内外学者对于该类材料超精密切削加工的各种机理问题做了广泛的研究[2-9]，尤其是针对脆塑转变机理及刀具几何形状对切削加工的影响等关键问题给出了一些解释和分析。这些研究中关于脆塑转变的原因的能量假说认为材料产生脆性断裂破坏还是塑性变形取决于这两种变形中哪一种变形所需的能量首先得到满足，但是并没有建立起变形能量与临界切削厚度间的关系，没有和切削加工过程联系起来;关于脆塑转变的成因的相变和滑移混合机理认为，单晶硅的脆塑转变与相变和滑移变形都有关系，但是这种说法仅集中于对脆塑转变的一般性描述，没有将脆塑的转变过程与直接对材料施加载荷的刀具形状之间的关系结合起来。

　　为说明单晶材料脆塑转变的本质，以典型单晶材料—单晶硅为例，通过分析单晶材料在切削加工受力条件下的晶体学方位关系，讨论了单晶材料的切屑形成方式与晶体结构之间的关系;在同时考虑材料各晶体学方向上力学性能的基础上，通过自编的计算程序模拟了单晶材料在压剪复合应力作用下，裂纹和位错的相互转化机制，定量给出了最佳刀具前角，这也说明此研究方法相对于国外学者只能使用不同的理论基础解释不同的切削加工现象，更加具有系统性和有效性。

　　1 晶体学方位关系及力学特性

　　1.1 超精密切削过程中的晶体学方位关系

　　对于金刚石结构的晶体材料，在平面应变条件下，切削方向转过 Δ θ角后，滑移解理面与被切削晶面间的实际夹角θ′由下式计算：

　　式中， Δ θ为切削方向转过的角度;θ′为切削方向变化 Δθ 角后的两晶面间的夹角;θ 为晶面间夹角。利用式(1)，不难发现外界载荷在被加工晶面和滑移解理面上的分量随着切削方向的变化而变化，单晶材料的滑移变形和解理断裂的程度也随着切削方向的变化而变化。

　　1.2 单晶材料力学特性的分析

　　在切削中涉及到单晶材料的力学特性主要是弹性、塑性和脆性。断裂韧性可由下式求得[10]:

　　式中，a 为常数，a =0.543nm;ν 为泊松比;0 0E为弹性模量; G为剪切模量。

　　发射位错的应力强度因子可由下式得[11]:

　　式中，μsγ 为不稳定堆垛能，为伯格斯矢量。

　　弹性模量和泊松比可由下式求得：

　　式中，sij为柔度系数，且;l 为晶体学取向方向余弦，i=1,2,3; 为与晶体学取向正交的晶向的方向余弦，i=1,2,3。