0 引言 随着现代科学技术的发展，脆性材料在现代高技术行业的诸多领域，特别是在航空航天、 光学及电子领域中具有十分重要的作用，而且 往往对工件的加工精度和表面质量有非常高的要求。但是到目前为止，脆性材料的加工仍然 是一件困难的事情。因为它们最突出的一个特 性就是材料的脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近。当材料所承受的载荷 超过弹性极限时就发生断裂破坏，在已女口工表 面产生裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性 能 [12,13] ，所以脆性材料的可加工性极差。过去， 人们一直沿用古老的研磨、抛光工艺对脆性材 料进行光整加工。这些加工方法生产效率低，加工精度不易保证，而且加工过程不易实现计算 机控制，对于曲面形状复杂的工件甚至无法加 工，因此已经远远不能适应现代高科技发展和 高效率的要求。

近年来，人们对峙性材料的加工做了大量 的探索和尝试。待别是随着科学技术的高速发 展，金刚石刀具和超精密机床的制造技术都已发展到极高的水平，使得对脆性材料进行超精 密切削加工成为可能。单纯通过金刚石切削脆 性材料表面是近十几年来才发展起来的新兴技术，它主要是通过对脆性材料实现塑性域的超 精密切削来获得高质量表面。这种方法由于具 有生产效率高、生产过程易于控制、可加工曲面形状复杂的工件等优点，有着十分广泛的应 用前景。本文对脆性材料超精密加工的研究现 状进行了全面的总结，并分析了其中存在的一些问题，希望对脆性材料塑性域加工的进一步 研究有所启示。

1 尖锐压头对脆性材料印压实验的脆塑变形理论

用锋利的金刚石刀具对脆性材料的超精密 车削的可能性是以脆性材料在尖锐的金刚石压 头下能够产生塑性变形为基础的。在过去的几十年里，许多学者对各种硬脆材料进行了大量 的印压实验，即以一定的垂直力将金刚石压头 压入材料内部一定的深度，观察材料的变形情况。在印压实验的加载到卸载一个完整的循环 中，破坏裂纹由产生到扩展的过程如图1所 示 [1] 。

从图l可以看出，即使是脆性材料，在很 小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。 当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆 性裂纹。在这个转变过程中，当裂纹刚好产生 时所施加的垂直载荷称为临界载荷，此时压头压入的深度称为临界压深。这两个概念对描述 脆性材料在外力作用下何时由塑性变形方式向 脆性破坏发生转变有很重要的意义。临界压深

(a)初始加载：接触区产生一永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。

(b)临界区：载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(MedianCraclE)。

(c)裂纹增长区：载荷增加，中介裂纹也随之增长。

(d)初始卸载阶段：中介裂纹开始闭合，但不愈合。

(e)侧向裂纹产生：进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩 展的横向裂纹(LateralCrack)。

(f)完全卸裁：侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。 的计算公式如(1)所示 [2,3] ：

式中，dc是临界压深，E是材料的弹性模量，H 为材料硬度，Kc是材料的断裂韧性，ψ是一个 和压头的几何形状有关的常数。

在对脆性材料的印压过程中，中介裂纹总 是首先产生的，而且它垂直于材料表面向内部 扩展，对材料的破坏最为严重，所以学者们对中 介裂纹产生的长度和所施加的垂直载荷之间的 关系进行了详细的研究，得到如下关系式[4]:

式中，c表示裂纹长度，P为所施加的垂直载荷， β是取决于压头向何形状的常数，φ是压头的 半顶角。

正是由于人们从印压和刻划实验中认识 到，即便是脆性材料，在压入深度很小时，也会 产生塑性变形，而且裂纹产生的长度和施加载 荷存在一定关系，于是才提出了已裂纹不扩展 到已加工表面的脆性材料的延性域切削方式。

2 脆性材料超精密磨削

超精密磨削技术是近期发展起来的一种 新的脆性材料加工方法，它是在高刚度超密磨 床上，用金刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。 Eva 和Marshall通过用金刚石压头刻划过玻 璃等脆性材料表面来模拟金刚石砂轮上的微小 磨粒的切削过程，当所施加载荷大于临界荷时，磨粒作用下的脆性裂纹系统如图2所示 [5] 。实 现对脆性材料的超精密磨削，关键是使材料以 塑性变形方式去除。在磨粒的作用下，材料表面刚好产生微裂纹，磨粒切入的厚度叫临界切削 厚度。有许多学者对磨削条件下脆性材料的脆 塑转变进行了研究 [6-8] ，美国学者T．G．bifano 在对玻璃、陶瓷等脆性材料做了大量的磨削实 验的基础上，得到了超精密磨削中的临界切削 厚度公式 [6] ：

式中，dc是临界切削厚度，E是材料的弹性模 量，H为材料硬度，K是材料的断裂韧性。

日本学者Naoya lkawa等人用不同粒度的 磨粒对单晶硅、铌酸锂表面进行了印压实验，发 现不同粒度的磨粒对材料表面的影响是