高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金,在各种对材料有高耐磨损性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合金优异的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用,但高硬度、高耐磨损的性能也使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段,对纳米结构硬质合金的研究多集中在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性能的评价等材料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论(特别是磨削理论)和相关加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺实验,对纳米结构硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究:首先,介绍了纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题;回顾了工程陶瓷磨削的主要研究成果,包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成果;进而提出了本文的研究结构和内容。然后,分析了材料物理机械性能与磨削力和磨削损伤之间的关系;在磨粒与工件相互干涉的运动学和几何学基础上,建立了基于断裂力学理论的磨削力数学模型,并进一步建立了比磨削能数学模型。数学模型说明磨削力和比磨削的大小与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相关。接着,选用了四种具有不同WC晶粒度(从微米级到纳米级)的硬质合金进行磨削工艺实验,分析磨削工艺参数和WC晶粒度对纳米结构硬质合金磨削性能的影响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力;工艺实验后用扫描电子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和X射线衍射仪分析磨削后试样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理;采用端面研磨腐蚀法、直接腐蚀法和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样,观察了试样亚表面的形貌和磨削损伤;采用X射线衍射法,分析残余应力在亚表面深度方向的变化规律。最后,比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果,揭示了材料的物理机械性能和磨削工艺参数对磨削力、比磨削能、材料去除机理、表面形貌、表面粗糙度和磨削损伤的影响规律。磨削力数学模型的预测结果与工艺实验结果相吻合,证明本文中建立的磨削力数学模型正确。随之,比磨削能数学模型的正确性也被证实。在本文工艺实验条件下,虽然随着单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加,纳米结构硬质合金以脆性断裂方式去除的比例增加,但是非弹性变形方式仍然是纳米结构硬质合金磨削主要的材料去除方式。纳米结构硬质合金的表面粗糙度值随单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加而单调递增。磨削表面形貌和粗糙度值证实,树脂结合剂金刚石砂轮比陶瓷结合剂金刚石砂轮更适合磨削纳米结构硬质合金。理论计算和工艺实验结果均表明,本文工艺实验条件下在纳米结构硬质合金的磨削表面和亚表面中未发现宏观磨削裂纹。纳米结构硬质合金亚表面中存在明显的磨削变质层,变质层的组织结构和平均厚度与磨削工艺参数和合金的物理机械性能密切相关。在X射线透射深度范围内,磨削表面的残余应力沿表面层深度方向存在明显的梯度变化,其分布和大小与工艺实验参数有关。非弹性变形的材料去除方式是产生表面残余应力的主要原因。本文的数学模型和工艺实验研究成果揭示了纳米结构硬质合金的磨削机理,其研究成果有助于推动该类新型材料在工程中更为广泛的应用。