隨著科技和工業技術的快速發展，人們對材料的硬度、強度、耐磨損、熱膨脹系數及絕緣性能等提出了更高的要求。而高技術陶瓷作為繼鋼鐵、塑料之后公認的第三類主要材料，一直以來在突破現有合金和高分子材料的應用極限方向被人們寄以厚望。其中，氮化硅陶瓷因具有優異的低密度、高硬度、高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化等諸多優點，成為了具發展潛力與市場應用的新型工程材料之一，在高溫、高速、強腐蝕介質的工作環境中具有特殊的應用價值，已被廣泛應用在精密機械、電氣電子、軍事裝備和航空航天等領域。但另一方面，工程陶瓷具有硬、脆的特性，使得其機械加工性能較差，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，很容易產生嚴重的塑性變形，從而在工件表面產生殘余應力。殘余應力將會直接影響工程陶瓷零件的斷裂應力、彎曲強度、疲勞強度和耐腐蝕性能。工程陶瓷零件的斷裂應力和韌性相比于金屬對表面的應力更為敏感。關于殘余壓應力或拉應力對材料的斷裂韌性的影響，特別是裂紋的產生和擴展尚需進一步的研究。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力與裂紋擴展的關系就顯得尤為重要。
Huli Niu等人為了獲得高磨削表面質量的工程陶瓷，以氮化硅陶瓷為研究對象，進行了一系列磨削實驗。研究表明：
(1)提高砂輪轉速、減小磨削深度、降低進給速率有利于減小氮化硅陶瓷的縱向裂紋擴展深度。氮化硅陶瓷工件在磨削后，次表面的裂紋主要是縱向裂紋，該裂紋從多個方向逐漸向陶瓷內部延伸，導致次表面損傷。
(2)氮化硅陶瓷表面的殘余壓應力隨著砂輪轉速的增加、磨削深度和進給速度的減小而增大。平行于磨削方向的殘余壓應力大于垂直于磨削方向的殘余壓應力。
(3)砂輪轉速和磨削深度的增加、進給速率增大時，磨削溫度有升高的趨勢。在磨削溫度從300℃上升到1100℃過程中，表面殘余壓應力先增大后減??；裂紋擴展深度先減小后增加。在溫度約為600℃時，表面殘余壓應力大，裂紋擴展深度小。適當的磨削溫度可以提高氮化硅陶瓷的表面殘余壓應力并抑制裂紋擴展。
(4)氮化硅陶瓷表面殘余壓應力隨裂紋擴展深度和表面脆性剝落程度的增加而減小。裂紋擴展位置的殘余應力為殘余拉應力。它隨著裂紋擴展深度的增加而增加。此外，殘余應力沿進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)通過調整磨削參數、控制合適的磨削溫度，可以提高氮化硅陶瓷磨削表面質量。
以上研究結果為獲得高質量氮化硅陶瓷的表面加工提供了強有力的數據支撐。關于Huli Niu等人的該項研究工作，更多的內容可參考文獻[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.
上述圖片內容均引自文獻[1].
作者在該項研究工作中所使用的殘余應力檢測設備為日本Pulstec公司推出的小而輕的便攜式X射線殘余應力分析儀-μ-X360s。該設備采用了圓形全二維面探測器技術，并基于cosα殘余應力分析方法可基于多達500個衍射峰進行殘余應力擬合，具有探測器技術先進、測試精度高、體積迷你、重量輕、便攜性高等特點，不僅可以在實驗室使用，還可以方便攜帶至非實驗室條件下的各種車間現場或戶外進行原位的殘余應力測量。我們期待該設備能助力更多的國內外用戶做出優秀的科研工作！
小而輕的便攜式X射線殘余應力分析儀-μ-X360s設備圖
參考文獻：
[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
相關產品
1、小而輕的便攜式X射線殘余應力分析儀-μ-X360s：http://www.dongsenyule.com/product/2016111745.shtml
