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基于纳米划痕的熔石英玻璃去除机制与亚表面裂纹研究

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表面技术 2024年第16期53卷 151页

作者：郭佳乐伊浩朱力敏孙玉利左敦稳南京航空航天大学机电学院南京210016 上海航天控制技术研究所上海201109

目的研究熔石英玻璃在不同动态载荷作用下的材料去除机制和亚表面裂纹形成与扩展机理。方法对熔石英玻璃试样进行纳米划痕试验,分别从划痕轮廓、划痕力2个方面分析不同载荷下熔石英玻璃的力学行为,通过扫描电镜和光学显微镜观察划痕形貌... 详细信息

目的研究熔石英玻璃在不同动态载荷作用下的材料去除机制和亚表面裂纹形成与扩展机理。方法对熔石英玻璃试样进行纳米划痕试验,分别从划痕轮廓、划痕力2个方面分析不同载荷下熔石英玻璃的力学行为,通过扫描电镜和光学显微镜观察划痕形貌,分析材料去除机制;采用逐层截面显微法对划痕截面的亚表面裂纹形貌进行观测,研究动态载荷下工件亚表面裂纹的形成与扩展机理。结果当动态载荷小于118mN时,材料发生塑性变形,亚表面未产生裂纹;当动态载荷大于118mN且小于245mN时,材料处于塑脆转变阶段,亚表面裂纹以动态载荷加载点为起点,向试样内部扩展形成赫兹锥形裂纹并伴有横向裂纹的存在;当动态载荷超过245mN时,材料进入完全脆性断裂阶段,亚表面裂纹不断扩展至表面导致材料破碎。结论随着动态载荷的不断增大,熔石英玻璃的材料去除经历了弹塑性变形、塑脆转变、脆性断裂3个阶段;亚表面裂纹受到动态载荷的影响,裂纹从载荷加载点形成,并沿着应力最大方向不断扩展,导致材料表面发生脆性断裂;熔石英玻璃的临界切深与其动态弹性模量成正比,与其流动应力成反比,动态冲击载荷使熔石英玻璃的临界切削深度下降,亚表面裂纹更易扩展,材料去除更快进入塑脆转变阶段。

关键词：熔石英玻璃材料去除划痕轮廓亚表面裂纹动态载荷断裂机制

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单晶硅亚表面裂纹的分子动力学模拟研究

单晶硅亚表面裂纹的分子动力学模拟研究

作者：王鑫大连理工大学

学位级别：硕士

单晶硅被广泛应用于集成电路、光电子器件和微传感器等半导体器件制造过程中,其超精密加工技术是衡量国家先进制造水平的重要标志。由于单晶硅是典型的硬脆材料,在机械加工过程中很容易引入亚表面裂纹,这将显著影响材料的机械强度和结... 详细信息

单晶硅被广泛应用于集成电路、光电子器件和微传感器等半导体器件制造过程中,其超精密加工技术是衡量国家先进制造水平的重要标志。由于单晶硅是典型的硬脆材料,在机械加工过程中很容易引入亚表面裂纹,这将显著影响材料的机械强度和结构完整性。针对单晶硅亚表面裂纹萌生扩展机理展开研究以抑制或减少裂纹产生,从而提高半导体器件的可靠性和寿命,对推动我国高端半导体制造行业发展具有重要意义。然而目前纳米尺度下材料断裂过程原位实验表征困难,传统的仿真技术如有限元等无法从原子角度研究裂纹的起源及演变等问题,因此单晶硅的亚表面裂纹萌生机理有待进一步探索。本文基于分子动力学(MD)仿真对单晶硅纳米切削过程中亚表面损伤演化进行了深入研究,通过晶体结构分析、应力分析、原子位移跟踪等方法揭示了亚表面裂纹萌生机理,主要工作如下:针对过去MD模拟中未变形切屑厚度过小致使无法出现裂纹的问题,采用改进后的纳米切削模型进行了大规模MD仿真,从而直接观测到单晶硅由延性加工转变为脆性加工的过程。通过晶体结构识别、径向分布函数等手段对纳米切削过程中不同形式的亚表面损伤演化进行研究,揭示了切削过程中应力场分布与单晶硅高压相变和裂纹萌生的相关性,发现当拉应力水平超过材料的断裂极限时,就会在应力集中处产生材料解离破坏。此外,探究了不同加工参数对纳米切削过程中亚表面损伤以及材料去除模式的影响,并结合相变、位错合理解释了亚表面损伤随加工参数变化趋势。通过对切削过程中原子密度、位移跟踪分析,发现了单晶硅的高压相变致密化和塑性流动现象,并从原子角度提出了亚表面裂纹萌生机理,强调了相变原子流在裂纹形核中的重要作用。针对相变原子对裂纹空腔填充现象,采用单轴拉伸模拟证明了其对材料机械性能的恢复作用,提出通过裂纹自愈合实现脆性材料半延性加工的方法。进行了单点金刚石针尖划擦硅晶圆实验,通过扫描电镜、透射电镜等多种表征手段对不同划擦深度下划痕表面质量及亚表面损伤微观结构变化进行探索,利用切屑起始点和裂纹起始点研究了划擦过程中的材料去除模式转变和脆塑转变过程。通过对比实验和模拟结果中的亚表面损伤结构,从而验证了MD模拟结果的可靠性。

关键词：单晶硅分子动力学纳米切削亚表面裂纹脆塑转变

动态冲击应变率效应下氧化锆陶瓷磨削亚表面裂纹仿真与实验研究

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动态冲击应变率效应下氧化锆陶瓷磨削亚表面裂纹仿真与实验研究

作者：唐都波湖南科技大学

学位级别：硕士

具有优异物理化学性能的氧化锆陶瓷,在医疗、军工、航天等领域得到了广泛的应用。精密磨削目前是氧化锆陶瓷材料的主要加工手段。由于材料高硬脆的特性,在加工过程中容易产生裂纹、残余应力等表面/亚表面损伤,使得加工后陶瓷工件的力学... 详细信息

具有优异物理化学性能的氧化锆陶瓷,在医疗、军工、航天等领域得到了广泛的应用。精密磨削目前是氧化锆陶瓷材料的主要加工手段。由于材料高硬脆的特性,在加工过程中容易产生裂纹、残余应力等表面/亚表面损伤,使得加工后陶瓷工件的力学性能和服役寿命大打折扣。因此,对工程陶瓷精密磨削加工过程中的材料去除行为以及裂纹形成与传播机制进行深入研究,在优化表面质量和提升加工效率方面具有重要意义。本文以相邻磨粒切削与砂轮磨削氧化锆陶瓷为研究对象,考虑动态冲击下应变率效应,通过理论分析、仿真模拟和加工实验,对氧化锆陶瓷在动态冲击加载下的表面/亚表面损伤情况进行深入分析与探讨,探究应变率效应对氧化锆陶瓷磨削加工的影响规律,从而优化氧化锆陶瓷在磨削加工中的表面质量,提高生产效率。本文所开展的研究工作如下:(1)基于Johnson-Holmquist-Ceramic材料本构,建立了相邻磨粒冲击切削氧化锆陶瓷有限元模型。研究了相邻磨粒与工件截面的冲击作用过程,具体包括工件亚表面冲击应力波传播、亚表面损伤层、亚表面应力分布、工件材料应变率参数随时间变化的演变过程。(2)搭建双磨粒切削实验平台,对氧化锆陶瓷进行了相邻磨粒切削干涉实验。考虑冲击作用下应变率效应的影响,对切削力、切削后划痕表面形貌、亚表面损伤进行了分析;结合仿真与相邻磨粒切削实验结果,揭示了动态冲击所带来的应变率效应与应力波叠加干涉效应对氧化锆陶瓷材料去除机理的影响。(3)对氧化锆陶瓷进行了砂轮单行程磨削实验,探讨了冲击作用下应变率效应对氧化锆陶瓷磨削的影响。对磨削力、磨削后工件表面形貌、亚表面损伤进行分析,结合仿真与相邻磨粒切削实验结果,进一步揭示了动态冲击应变率效应对氧化锆陶瓷材料的磨削加工过程中材料去除机理的影响。

关键词：氧化锆陶瓷磨削动态冲击应变率效应亚表面裂纹

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

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现代制造工程 2020年第3期 1-6页

作者：李颂华隋阳宏孙健沙勇沈阳建筑大学机械工程学院沈阳110168 沈阳建筑大学高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室沈阳110168

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中... 详细信息

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件的可靠性。设置单因素实验,对不同磨削参数下HIPSN陶瓷的磨削力进行测量,通过扫描电镜(SEM)对亚表面裂纹和表面形貌进行观察,分析磨削力对亚表面裂纹的影响。实验结果表明:磨削力随着砂轮线速度的增大而减小,随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大;当磨削力变大时,陶瓷亚表面裂纹扩展程度增加,表面形貌变差。在粗磨加工HIPSN陶瓷时,可以通过减小工件进给速度和磨削深度,提高砂轮线速度的方法来降低裂纹的扩展程度,能够有效降低后续工艺的加工时间和难度,提高表面质量。

关键词： HIPSN陶瓷磨削力亚表面裂纹表面形貌

基于磨削速度的K9光学玻璃平面磨削亚表面裂纹深度研究

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金刚石与磨料磨具工程 2016年第4期36卷 13-17页

作者：陈江张飞虎哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 哈尔滨商业大学轻工学院哈尔滨150028

根据磨削参数协同分析的结果,在保证磨粒运动轨迹一致的情况下,进行基于磨削速度的单因素平面磨削实验。利用试件角度抛光、SEM检测亚表面裂纹层的深度。实验结果显示:随着砂轮转速的提高,亚表面裂纹层的深度呈下降趋势;当砂轮转速从500... 详细信息

根据磨削参数协同分析的结果,在保证磨粒运动轨迹一致的情况下,进行基于磨削速度的单因素平面磨削实验。利用试件角度抛光、SEM检测亚表面裂纹层的深度。实验结果显示:随着砂轮转速的提高,亚表面裂纹层的深度呈下降趋势;当砂轮转速从500r/min逐渐提高到2500r/min时,亚表面裂纹层的最大深度的平均值下降达25μm左右;光学玻璃平面磨削实验结果表明,光学玻璃磨削磨削速度是影响磨削过程中光学玻璃材料亚表面裂纹层深度的重要因素,磨削速度对光学玻璃亚表面裂纹生成有重要影响。

关键词：磨削光学玻璃磨削速度亚表面裂纹

碳化钨—钴陶瓷亚表面裂纹扩展预测模型的建立

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碳化钨—钴陶瓷亚表面裂纹扩展预测模型的建立

作者：熊志庆湖南大学

学位级别：硕士

纳米结构陶瓷涂层材料具备许多优异的物理力学性能,在工业上有广泛的应用前景。但是,由于其加工性能较差,目前仅能采用精密磨削加工,且在加工过程中极易产生磨削裂纹等损伤。因此,研究磨削裂纹、尤其是亚表面微裂纹的形成与扩展,及其与... 详细信息

纳米结构陶瓷涂层材料具备许多优异的物理力学性能,在工业上有广泛的应用前景。但是,由于其加工性能较差,目前仅能采用精密磨削加工,且在加工过程中极易产生磨削裂纹等损伤。因此,研究磨削裂纹、尤其是亚表面微裂纹的形成与扩展,及其与加工参数的关系;具有重大的现实意义。本文结合压痕断裂力学知识分析材料磨削时亚表面裂纹的扩展动力因素,建立一个适用于纳米结构陶瓷涂层材料单颗磨粒磨削加工条件下不产生亚表面裂纹的临界磨削深度的计算公式;利用金刚石压头在WC/12Co涂层材料上进行划痕试验,并通过实验验证该公式。依据该公式可以定量地判断材料的亚表面裂纹的扩展范围。本文的另一个重要内容是应用CDM模型,构建裂纹估计模型;并应用ANSYS分析软件对实际加工条件进行仿真,并将实验结果与之对比。通过对比研究不同的压头(磨粒)的顶部形状参量、压头与材料相对运动速率及划痕深度,来开展对本课题的研究,并取得一些有意义的结论。1.在该划痕试验中,亚表面裂纹与压头(磨粒)本身的形状有关;当压头顶部较尖锐时,在划痕深度一定的条件下,更容易产生裂纹;2.材料本身的的硬度值、断裂韧性值等参量,在裂纹形成过程中起主导作用;硬度值越高越容易形成裂纹,断裂韧性值越大裂纹也越难出现;3.通过对比计算机仿真数据与实验数据,可知应用ANSYS等分析软件对磨削裂纹产生进行预测是可行的。本文通过对纳米WC/12Co涂层材料亚表面裂纹的研究,从中得到的公式可以用来对纳米结构陶瓷材料的精密磨削裂纹进行预测。通过研究建立了单颗磨粒切削纳米结构陶瓷涂层材料时亚表面不产生裂纹的临界切削深度的计算公式。

关键词：磨削纳米结构陶瓷涂层 WC/12Co 亚表面裂纹公式

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碳化硅磨削去除机理及亚表面裂纹研究

碳化硅磨削去除机理及亚表面裂纹研究

作者：梁晓辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着空间光学系统主镜口径的不断增大，对其主镜材料机械物理性能要求越来越高。碳化硅是一种理想的空间反射镜主镜材料，但由于碳化硅陶瓷高硬度、低断裂韧性的特点，导致其可加工性很差，磨削加工过程中容易留下亚表面裂纹等损伤，因... 详细信息

随着空间光学系统主镜口径的不断增大，对其主镜材料机械物理性能要求越来越高。碳化硅是一种理想的空间反射镜主镜材料，但由于碳化硅陶瓷高硬度、低断裂韧性的特点，导致其可加工性很差，磨削加工过程中容易留下亚表面裂纹等损伤，因此深入研究碳化硅陶瓷磨削加工过程中的材料去除机理与亚表面裂纹对提高碳化硅磨削表面质量有着重要意义。本文采用颗粒流离散单元法对碳化硅陶瓷材料进行建模，采用仿真实验的方法校准离散元材料模型并进行磨削过程仿真，研究碳化硅磨削过程中裂纹形成过程以及工艺参数对加工裂纹与磨削力的影响。进行维氏压痕试验，分析碳化硅陶瓷硬度与断裂韧性，研究维氏压痕裂纹系统;采用维氏压头对碳化硅进行微刻划试验，研究碳化硅在单颗粒刻划条件下的材料去除方式。进行碳化硅陶瓷磨削工艺试验，分析磨削表面形貌与材料去除方式，采用离子束加工技术对磨削表面进行截面抛光，得到准确的磨削亚表面损伤特征，研究了不同工艺方式与工艺参数下碳化硅陶瓷磨削亚表面裂纹的形式与深度。研究表明超声振动辅助磨削不仅降低了磨削表面粗糙度，且显著地抑制了亚表面裂纹的产生，亚表面裂纹数量和深度上都小于无超声振动磨削。通过对端面铣磨的亚表面裂纹的统计与观察，得到了碳化硅磨削亚表面裂纹的形式与深度分布以及磨削深度和转速对裂纹深度的影响。

关键词：碳化硅离散元截面抛光亚表面裂纹

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单晶硅片磨削亚表面裂纹检测的试验研究

单晶硅片磨削亚表面裂纹检测的试验研究

作者：李庆鹏大连理工大学

学位级别：硕士

单晶硅片是集成电路（IC）制造过程中应用最广泛的衬底材料,硅片材料的表面完整性直接影响着器件的性能、成品率以及使用寿命。但单晶硅片在磨削过程中不可避免地会产生几微米至几十微米的亚表面损伤层,这将直接影响到其后续加工的效率... 详细信息

单晶硅片是集成电路（IC）制造过程中应用最广泛的衬底材料,硅片材料的表面完整性直接影响着器件的性能、成品率以及使用寿命。但单晶硅片在磨削过程中不可避免地会产生几微米至几十微米的亚表面损伤层,这将直接影响到其后续加工的效率以及去除量等。亚表面损伤层要在后续加工过程中去除,这无疑增加了硅片的制造成本,降低了制造效率。因此,为了去除磨削产生的亚表面损伤层并提高效率,快速准确获得磨削工序产生的亚表面损伤层中的裂纹信息对后续加工具有重要的指导意义。本文利用#400和#600杯型金刚石砂轮对单晶硅片进行磨削试验,结合有损检测与无损检测的优势,采用多种检测方式分别对硅片亚表面裂纹进行检测。本文主要研究内容如下:（1）基于准静态压痕断裂模型,考虑弹性应力场与残余应力场的叠加,建立硅片磨削表面粗糙度与亚表面裂纹深度之间的数学模型,从而通过检测不同位置处的表面粗糙度PV值快速判断相应位置的硅片损伤程度。（2）通过截面显微观测法和分步腐蚀法从不同方向对硅片亚表面裂纹进行有损检测,分析亚表面裂纹倾角分布规律、亚表面裂纹深度沿磨纹分布规律和亚表面裂纹密度沿深度分布规律,从而得到亚表面裂纹的三维分布信息。（3）采用偏振激光散射检测方式对单晶硅片亚表面裂纹进行无损检测,得到对应的检测信号强度,再结合有损检测方式对亚表面损伤信息进行定量测定,从而建立检测信号强度与亚表面裂纹体积密度之间的关系,最后进行验证试验证明其可靠性。

关键词：单晶硅片工件旋转法磨削亚表面裂纹有损检测无损检测

超声振动作用下玻璃材料磨削加工亚表面裂纹的研究

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超声振动作用下玻璃材料磨削加工亚表面裂纹的研究

作者：王志强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

光学玻璃因其组织结构的高度均匀性、光学性能的一致性及稳定性、可以实现多种光学功能等性质,在相关工程领域有广泛的应用,但光学玻璃硬度高、断裂韧性低、不耐冲击的特点使其在传统的磨削成型加工中难以保证工件加工精度和质量的要求... 详细信息

光学玻璃因其组织结构的高度均匀性、光学性能的一致性及稳定性、可以实现多种光学功能等性质,在相关工程领域有广泛的应用,但光学玻璃硬度高、断裂韧性低、不耐冲击的特点使其在传统的磨削成型加工中难以保证工件加工精度和质量的要求。超声振动磨削加工具有减少切削力、降低切削温度、提高加工效率等技术优势,但是目前光学玻璃工件在高频超声形成的高速冲击作用下的裂纹成核及扩展机制及材料破坏形式尚不明确,超声振动作用下光学玻璃亚表面裂纹损伤预测的研究仍不完善,因此进行超声振动作用下光学玻璃磨削加工中亚表面裂纹的研究,对实现光学玻璃的精密低损伤加工具有重要的参考意义与理论价值。高频超声振动作用下BK7光学玻璃的动态力学性能研究是进行光学玻璃超声振动磨削加工中亚表面微裂纹扩展机制研究的基础。本文通过霍普金森压杆实验获得了高频振动冲击作用下材料的应力-应变曲线及破坏形式,并采用三波法公式计算得到了在相应压力值下BK7光学玻璃材料的应力、应变及应变率等动态力学性能参数。结合BK7光学玻璃霍普金森压杆实验仿真分析,将BK7光学玻璃在高应变率下的实验波形与仿真波形进行了对比分析,验证了仿真模型的有效性。利用实验仿真结果分析了高速冲击作用下BK7光学玻璃的破坏形式变化,对Johnson-Holmquis-Ceramics本构模型的相关参数进行了调整,为后续BK7光学玻璃微裂纹扩展过程的数值模拟研究提供了理论依据。光学玻璃超声振动磨削加工中产生的亚表层微裂纹是导致材料去除及形成亚表面损伤的主要原因。本文采用光滑粒子流体动力学及有限元耦合方法,基于适用于高应变率情况下BK7光学玻璃材料的Johnson-Holmquis-Ceramics本构模型,对BK7光学玻璃超声振动辅助刻划过程进行仿真模拟,并进行了相应的BK7光学玻璃超声振动辅助刻划加工,将实验结果和仿真结果进行了对比分析,验证了仿真模型的可靠性,并分别对恒定切深、变切深条件下亚表面裂纹成核及扩展过程进行了分析。结合超声振动作用下磨粒运动学的分析,研究了刻划参数对刻划力、刻划表面裂纹的影响。以此为基础,为进一步分析实际磨削过程中磨削参数及超声振动参数对光学玻璃亚表面裂纹扩展深度的影响,进行了BK7光学玻璃超声振动磨削工艺实验,为后续超声振动磨削中BK7光学玻璃亚表面裂纹扩展深度模型的建立提供了理论与实验依据。对超声振动磨削加工中BK7光学玻璃亚表面裂纹深度进行有效预测对于加工参数的优选、提高加工质量、减少后续研抛工艺加工余量等有着重要意义。本文基于脆性材料的断裂力学和冲击动力学的相关理论,结合高速冲击作用下亚表面裂纹成核及扩展分析,推导出了亚表面裂纹深度和表面粗糙度值之间的关系,建立了BK7光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤预测模型,并在不同磨削加工参数条件下进行超声振动磨削加工验证试验,验证了亚表面裂纹深度理论预测模型的有效性。

关键词：光学玻璃动态力学性能亚表面裂纹预测模型