活性元素Ti在CBN与钎料结合界面的特征

通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪研究了Ag-Cu-Ti钎料中的活性元素Ti在钎料与立方氮化硼（CBN）磨粒高温钎焊结合界面的扩散现象，并运用动力学分析对界面反应层的生长过程及反应激活能进行了探讨。结果表明：钎焊过程中，钎料中的活性元素Ti明显向磨粒侧扩散偏聚并发生化学反应，实现了磨粒与基体材料的牢固结合；钎焊CBN磨粒表面生成的TiB2和TiN化合物形貌接近平衡状态下生长的理想形貌；界面反应层在钎焊温度1153K～1193K，保温时间5min～20min之间依据抛物线生长法则所得扩散激活能值表明其生长过程主要受新生TiN影响。     

单颗团聚CBN磨粒磨削TC4钛合金表面创成机制

目的 提出一种兼具耐磨性好、自锐性能优异的新型团聚CBN磨粒研制方法,解决单晶CBN磨粒因其力学特性各向异性而极易出现沿解理面大块破碎的问题,进而提升加工效率和磨削性能。方法 利用模压成形和高温液相烧结技术,制备了综合性能优异的新型团聚CBN磨粒,探究磨粒结合界面形成机制,并通过单颗磨粒磨削TC4钛合金试验,综合对比团聚CBN磨粒与单晶CBN磨粒的磨损状态和磨痕形貌,探明团聚CBN磨粒的磨削性能优势。结果 团聚CBN磨粒烧结界面新生成了TiB2、TiB和TiN;优选的烧结工艺参数为800 ℃,保温时间为10 min;相比于单晶CBN磨粒,团聚CBN磨粒的耐磨性和锋利度显著提升,磨削加工效率和质量明显改善。结论 由于团聚CBN磨粒内部微晶颗粒间金属结合剂的存在,提高了磨粒的断裂韧性,降低了因磨粒内部裂纹扩展而引起的宏观裂纹损伤深度,有效提升了磨粒的加工性能;磨削过程中随着磨粒的不断磨损,未出露的CBN晶粒逐渐参与磨削,确保了磨粒工作面有效磨粒数的动态平衡,有助于提升磨粒整体自锐能力。     

多晶碳化硅陶瓷磨削裂纹损伤形成机理研究

当前碳化硅陶瓷类硬脆材料磨削损伤形成机理研究主要是基于经典压痕断裂力学基础理论,然而对于具有复杂显微结构的陶瓷材料,磨削亚表面裂纹损伤形式和萌生扩展机理未必遵循经典压痕断裂力学理论。有鉴于此,重点从陶瓷材料显微结构层面开展碳化硅陶瓷磨削损伤形成机理研究,采用单颗金刚石磨粒轴向进给磨削试验方法,借助聚焦离子束、透射电镜等设备,分析碳化硅陶瓷磨削损伤特点,发现穿晶裂纹具有显著择优取向性,晶界对裂纹萌生具有显著诱导作用、对裂纹扩展具有显著阻碍作用;提出了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统,揭示了位错在晶界处塞积是晶界裂纹系统产生的机理;随磨削进行,SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统分别经历位错激发、位错运动至晶界处堆积、晶界处微裂纹萌生、晶界处微裂纹扩展汇合形成宏观沿晶裂纹和穿晶裂纹、裂纹扩展至磨削表面形成破碎凹坑五个跨尺度演化过程;基于位错塞积理论建立了晶界裂纹系统一般性的断裂力学模型,解析裂纹萌生与扩展临界条件;建立了晶粒尺度单颗金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,验证了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统模型的准确性。     

基于残余应力分布优选钎焊CBN磨粒出露高度

采用测量红外光谱峰值偏移的方法确定钎焊CBN磨粒内部中心轴线以及磨粒与钎料截面径向的残余应力，分析了磨粒内部残余应力的分布特征，并优化选择了钎焊砂轮工作面上CBN磨粒的出露高度。结果表明：钎焊CBN磨粒内部中心区域残余应力分布比较稳定，应力梯度小；在中心轴线两端以及截面径向外端，应力分布梯度较大，主要为拉应力，其中，钎焊CBN磨粒边缘部分的最大残余拉应力对磨粒力学性能影响最大，钎焊CBN磨粒出露高度为其自身高度的60%～70％为宜。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

TiN颗粒增强AgCuTi合金钎焊CBN磨粒的界面微结构

向Ag-Cu-Ti合金中加入TiN颗粒组成复合钎料.在加热温度920 ℃和保温时间5 min的工艺下进行立方氮化硼(CBN)磨粒与45#钢基体的连接实验.运用三维视频显微镜、扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析TiN颗粒、Ag-Cu-Ti合金、CBN磨粒和钢基体之间的结合界面的微观组织结构.结果表明:加入的TiN颗粒在结合剂层中分布均匀、致密,且显著细化了结合剂层(复合钎料层)显微组织,提高了结合剂层的显微硬度;加入TiN颗粒后仍可确保结合剂层与钢基体之间的良好结合;复合钎料对CBN磨粒有好的润湿性,TiN颗粒未对CBN磨粒与结合剂层的界面化学反应造成负面影响,实现了对CBN磨粒的牢固连接.     

CSS-42L钢磨削力和比磨削能的实验研究

采用白刚玉和绿碳化硅两种不同磨料的砂轮对CSS-42L钢进行了平面切入式磨削实验.选取磨削力、磨削力比和比磨削能为指标,通过单因素实验分析比较了在白刚玉砂轮和绿碳化硅砂轮平面切入式磨削条件下,CSS-42L钢的磨削加工性.实验结果表明,相同条件下,绿碳化硅砂轮磨削时的磨削力、磨削力比和比磨削能均明显高于白刚玉砂轮;绿碳化硅砂轮从初期磨损阶段进入稳定磨损阶段所用时间至少是白刚玉砂轮的2倍;两种砂轮磨削时的比磨削能均随着当量磨削厚度的增加呈幂函数降低.     

基于混合材料模型的颗粒增强钛基复材高速磨削温度研究

针对颗粒增强钛基复合材料（Particulate reinforced titanium matrix composites,PTMCs）高速磨削加工,建立一种三维混合材料磨削温度场有限元仿真计算模型,既考虑了Ti-6Al-4V基体材料特性,又包含了材料内部的TiC增强颗粒,由此分析了高速磨削过程中温度场特征及其演变规律。结果表明：基于三维混合材料模型的PTMCs磨削温度预测值与试验值相差小（为8%以下）,而基于普通均质材料模型的磨削温度预测值与试验值相差大（为16%以上）。PTMCs工件表面磨削温度随着磨削用量的增加逐渐上升。当砂轮线速度为120 m/s、工件进给速度为6 m/min时,磨削深度从20 μm增加到100 μm,PTMCs工件表面磨削温度从346℃增加到987℃,温度梯度值从1 070~624℃/mm增加到1 570~1 310℃/mm。磨削温度及其分布梯度对PTMCs亚表层显微组织变化层深度存在显著影响,磨削深度从40 μm上升到80 μm,显微组织变化层深度从22 μm增大到40 μm;当磨削深度进一步从80 μm增加到100 μm时,显微组织变化层深度增加到53 μm。     

多孔金属结合剂CBN砂轮孔隙结构对磨料层胎体力学性能的影响

为解决多孔金属结合剂CBN砂轮在高孔隙率下的强度下降问题,采用球形尿素颗粒为造孔剂,制作孔径、孔形和孔隙可控的多孔金属结合剂砂轮磨料层胎体,研究不同载荷情况下的孔隙率和孔隙排布等孔隙结构因素,对多孔金属结合剂磨料层胎体力学性能的影响规律。结果表明:孔隙有序排布时的胎体弹性模量要小于孔隙无序排布的;胎体材料的屈服强度随孔隙率增大而下降;在相同孔隙率下,孔隙有序排布的胎体,在纵向受压、孔隙正向排布的情况下屈服强度更高。