硬脆材料精密磨削的磨削力及表面質量測試與分析實驗

1、硬脆材料精密磨削的磨削力及表面質量測硬脆材料精密磨削的磨削力及表面質量測試與分析實驗試與分析實驗一、一、實驗目的實驗目的了解硬脆材料精密磨削加工方法以及磨削過程中磨削力的變化特點；了解磨削后表面質量測試分析方法；了解相關測試分析儀器（Kistler、SEM、AFM、Leica）的工作原理、功能及使用方法。二、二、磨削力測試磨削力測試磨削(Grinding)是一種精密加工方法，能獲得很高的加工精度和表面粗糙度。對于當今的高溫結構陶瓷、鈦合

2、金、高溫合金、超高強度鋼等難加工材料而言，磨削是一種非常有效的加工方法。高溫結構陶瓷屬于一種典型的硬脆材料，其性能主要有：硬度比金屬高一倍多，具有好的耐磨性；高溫結構陶瓷的脆性高，受到外力作用下容易發(fā)生斷裂；在1200~1500℃的高溫下能保持較高的強度，具有良好的抗熱沖擊性；高溫結構陶瓷的導熱性較差，熱膨脹系數(shù)?。桓邷亟Y構陶瓷的密度僅為普通鋼材的二分之一至三分之一；高溫結構陶瓷的彈性模量比金屬高的多，受力后彈性變形小。由于高溫結構陶瓷

3、的脆硬性，通常用超硬磨料磨具進行精密與超精密加工。其磨削過程中磨削力比較大、磨削比小、砂輪磨耗量大、表面質量不易控制導致生產(chǎn)率低。1、實驗原理及設備實驗原理及設備磨削力是研究磨削現(xiàn)象的一個重要參數(shù)，磨削力測量和采集是磨削實驗中重要內(nèi)容，需要使用測力儀和采集軟件。測量磨削力的設備使用瑞士生產(chǎn)的KISTLER9257BA三坐標測力儀，采集磨削力的軟件采用DYSLAB軟件。KISTLER9257BA三坐標測力設備原理：利用壓電陶瓷原理，將微弱

4、的由力產(chǎn)生的變形信號轉換為電信號，根據(jù)事先標定的值得到力值。測力儀在上面板和底板之間有四個三向力傳感器，它們都不接地。隔熱層保護傳感器不受外界溫度影響。將測力儀用管接頭和控制單元設備5233A1連接構成了測力系統(tǒng)(圖1)。2、檢測軟件、檢測軟件DASYLab是一個集數(shù)據(jù)采集、過程控制及數(shù)據(jù)分析于一體的軟件系統(tǒng)。在DASYLab中，通過選擇和任意擺放模塊元素，并且把鼠標把這些模塊元素連接起來，能夠直接在屏幕上對測量、過程控制或者仿真任務進

5、行設置。使用黑箱模塊組合實驗當中需要重復使用的工作頁元素，并且把它們整合到黑箱模塊掃描電子顯微鏡JSM5610LV通過試件臺的X、Y向以及旋轉運動可以觀測最大直徑為125mm的試件，所有的操作均可以通過電腦鼠標來完成。提供完整的實用自動功能，比如自動電子槍共軸調整、自動聚焦、自動像散校正、自動亮度對比度校正等。充分利用計算機就可以實現(xiàn)對SEM的所有操作，從儀器抽真空到圖像觀測和報告制作，簡便快捷。用低真空度模式可以觀測不帶導電涂層的非導

6、電試件。1）掃描電子顯微鏡功能掃描電子顯微鏡功能掃描電子顯微鏡是以電子束作為照明源，把聚焦得很細的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種同試樣性質有關的信息，然后加以收集和整理，從而獲得微觀形貌放大像的一種顯微鏡。2）掃描電子顯微鏡原理掃描電子顯微鏡原理以類似電視攝影顯像的方式，利用細聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)出來的各種物理信號來調制成像的。由發(fā)夾式電子槍所發(fā)射出來的電子束，在加速電壓（2～30KV）的作用下，經(jīng)過兩個電磁透鏡

7、，會聚成一個細小的電子探針，在末級透鏡上部掃描線圈的作用下，使電子探針在試樣表面做光柵狀掃描。高能電子與物質相互作用，在試樣上產(chǎn)生各種信息如二次電子、背反射電子等。從試樣中所得到各種信息的強度和分布各自同試樣的表面形貌、成分、晶體取向、以及表面狀態(tài)的一些物理性質(如電性質、磁性質等)等因素有關，因此，通過接受和處理這些信息，就可以獲得表征試樣形貌的掃描電子像，或進行晶體學分析和成分分析。檢測－放大系統(tǒng)的作用是把入射電子和物質相互作用所產(chǎn)

8、生的各種信息進行接受和放大，并轉化為視頻信號電壓。閃爍晶體檢測系統(tǒng)是由收集極，閃爍晶體，光導管和光電倍增管的前置放大器組成。在收集極電場的作用下，從試樣表面所發(fā)出的電子信息，通過閃爍晶體轉換為光子，光子通過光導管進到光電倍增管被放大并轉換為信號電流再通過放大器的放大后轉換為信號電壓。3）掃描電子顯微鏡成像類型）掃描電子顯微鏡成像類型a)二次電子像SEI（Secondaryelectronimage）在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品

9、表面的樣品的核外電子叫做二次電子。由于原子核和外層價電子間的結合能很小，因此外層的電子比較容易和原子脫離，使原子電離。二次電子一般都是在表層10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關系，所有不能用它來進行成分分析。二次電子像具有無陰影的性質，故在二次電子像中可以看到細節(jié)。b)背散射電子像BEI（Backscatteredelectronim

10、age）背散射電子是被固體樣品中原子核反彈回來的一部分入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指被樣品中原子核反彈回來的，散射角大于900的那些入射電子，其能量沒有損失(或基本上沒有損失)。非彈性背散射電子是入射電子和樣品核外電子撞擊后產(chǎn)生的非彈性散射，不僅方向改變，能量也有不同程度的損失。背散射電子來自樣品表層300nm的深度范圍，由于它的產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯