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超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

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光学精密工程 2024年第1期32卷 84-94页

作者：敖萌灿黄金星曾毓贤吴跃勤康仁科高尚大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室辽宁大连116024 华侨大学制造工程研究院福建厦门361021

钇铝石榴石(YAG)晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表... 详细信息

钇铝石榴石(YAG)晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

关键词：超精密磨削 YAG晶体纳米压痕纳米划痕脆塑转变

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超精密切削中单晶脆性材料脆塑转变过程

北京航空航天大学学报 2013年第3期39卷 366-370页

作者：王明海王维高蕾沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室沈阳110136

借助断裂力学和位错力学的结合,提出了一种通过建立宏观力学和微观力学之间的联系模拟脆性材料脆塑转变过程的方法.该方法在同时考虑单晶材料力学性能和晶体几何结构的基础上,模拟了单晶材料在承受压剪复合应力的条件下,其内部裂纹和位... 详细信息

借助断裂力学和位错力学的结合,提出了一种通过建立宏观力学和微观力学之间的联系模拟脆性材料脆塑转变过程的方法.该方法在同时考虑单晶材料力学性能和晶体几何结构的基础上,模拟了单晶材料在承受压剪复合应力的条件下,其内部裂纹和位错之间的相互作用机制,阐明了单晶材料在超精密切削加工中的脆塑转变过程;同时在考虑刀具对单晶材料的压剪复合作用的条件下,首次定量给出了实现单晶材料超精密切削加工的最佳刀具前角的方法,并分析了刀具刃口半径对单晶材料脆塑转变过程的影响;最后通过实验对研究结果进行了验证.

关键词：单晶材料脆塑转变裂纹位错刀具形状

基于纳米压痕疲劳实验的微晶玻璃脆塑转变研究

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光学学报 2013年第9期33卷 243-248页

作者：王景贺李顺增宋晓莉宋玮王洪祥李淑萍哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001 西安飞行自动控制研究所陕西西安710065

微晶玻璃是制造大型空间望远镜、激光陀螺仪的重要材料,但微晶玻璃在超精密加工的过程中,工件内部会产生亚表层损伤,制约了微晶玻璃的光学性能。利用压痕法研究微晶玻璃产生裂纹脆塑转变临界条件,并在此基础上利用循环纳米压痕实验,研... 详细信息

微晶玻璃是制造大型空间望远镜、激光陀螺仪的重要材料,但微晶玻璃在超精密加工的过程中,工件内部会产生亚表层损伤,制约了微晶玻璃的光学性能。利用压痕法研究微晶玻璃产生裂纹脆塑转变临界条件,并在此基础上利用循环纳米压痕实验,研究了加工疲劳对材料脆塑转变的影响规律,以及疲劳状态下微晶玻璃临界压力的变化规律和疲劳因素对临界磨削深度的影响。研究结果表明,磨削循环过程使工件表面产生累积的机械损伤,致使微晶玻璃材料断裂韧性减小,导致塑性域降低;微晶玻璃材料表面产生裂纹的临界压力载荷与循环次数有关,循环次数越多,临界压力载荷越小。在此理论基础上确定了脆塑转变临界磨削条件。研究结果为改善光学元件的表面质量提供了一定的参考。

关键词：光学设计微晶玻璃脆塑转变疲劳失效断裂韧性

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单晶硅脆塑转变临界厚度的原位实验

工程科学学报 2019年第3期41卷 343-349页

作者：刘冰徐宗伟李蕊何忠杜天津商业大学机械工程学院天津300134 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

为提高单晶硅纳米切削表面质量的同时,不影响加工效率,以扫描电子显微镜高分辨在线观测技术为手段,在真空环境下开展了单晶硅原位纳米切削实验研究.首先,利用聚焦离子束对单晶硅材料进行样品制备,并对金刚石刀具进行纳米级刃口的可控修... 详细信息

为提高单晶硅纳米切削表面质量的同时,不影响加工效率,以扫描电子显微镜高分辨在线观测技术为手段,在真空环境下开展了单晶硅原位纳米切削实验研究.首先,利用聚焦离子束对单晶硅材料进行样品制备,并对金刚石刀具进行纳米级刃口的可控修锐.然后,利用扫描电子显微镜实时观察裂纹的萌生与扩展,分析了单晶硅纳米切削脆性去除行为.最后,分别采用刃口半径为40、50和60 nm的金刚石刀具研究了晶体取向和刃口半径对单晶硅脆塑转变临界厚度的影响.实验结果表明:在所研究的晶体取向范围内,在(111)晶面上沿[111]晶向进行切削时,单晶硅最容易以塑性模式被去除,脆塑转变临界厚度约为80 nm.此外,刀具刃口半径越小,单晶硅在纳米切削过程中越容易发生脆性断裂,当刀具刃口半径为40 nm时,脆塑转变临界厚度约为40 nm.然而刀具刃口半径减小的同时,已加工表面质量有所提高,即刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性表面.

关键词：单晶硅脆塑转变在线观测晶体取向刃口半径

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氧化锆陶瓷旋转超声加工脆塑转变特性研究

表面技术 2020年第4期49卷 90-97页

作者：杨宇辉陈海彬马文举赵恒隆志力东莞理工学院机械工程学院广东东莞523808 哈尔滨工业大学(深圳)机电学院广东深圳518055 河南科技大学机电工程学院河南洛阳471003

目的揭示旋转超声振动对硬脆材料脆塑转变特性及工艺参数对材料脆塑转变临界切削深度的影响规律。方法以氧化锆陶瓷为研究对象,在硬脆材料压痕断裂试验基础上,从理论上分析了超声振动加工硬脆材料脆塑转变的临界条件,并进行了纵向振动... 详细信息

目的揭示旋转超声振动对硬脆材料脆塑转变特性及工艺参数对材料脆塑转变临界切削深度的影响规律。方法以氧化锆陶瓷为研究对象,在硬脆材料压痕断裂试验基础上,从理论上分析了超声振动加工硬脆材料脆塑转变的临界条件,并进行了纵向振动及纵扭共振形式的旋转超声振动划痕与普通划痕对比试验。结果在相同试验条件下,超声振动划痕较普通划痕有较高的材料脆塑转变临界切削深度。适当地增大超声能量,纵扭共振比纵向振动具有更大的脆塑转变临界切削深度值;而随着进给速度的增大,纵向振动比纵扭共振具有更大的材料脆塑转变临界切削深度。结论通过不同划痕条件的对比,超声振动能有效提高氧化锆陶瓷的脆塑转变临界切削深度,增大塑性域加工范围,提高材料表面加工质量,验证了理论分析的正确性。

关键词：氧化锆陶瓷旋转超声加工脆塑转变临界切削深度塑性域

KDP晶体脆塑转变切削过程有限元仿真与实验研究

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人工晶体学报 2018年第8期47卷 1512-1516,1534页

作者：曹巧双余德平徐继业张敏黄玮海四川大学制造科学与工程学院成都610065

利用ABAQUS软件建立KDP晶体超精密切削三维模型,并基于内聚力模型来模拟KDP晶体脆性域切削过程中裂纹的成核与扩展,对KDP晶体脆塑转变过程做出合理解释,得到其临界切削厚度。结果表明,超精密切削过程中KDP晶体材料的去除分为弹性变形、... 详细信息

利用ABAQUS软件建立KDP晶体超精密切削三维模型,并基于内聚力模型来模拟KDP晶体脆性域切削过程中裂纹的成核与扩展,对KDP晶体脆塑转变过程做出合理解释,得到其临界切削厚度。结果表明,超精密切削过程中KDP晶体材料的去除分为弹性变形、塑性去除和脆性断裂三个阶段,其脆塑转变临界切削厚度为140 nm左右。最后利用超精密机床对KDP晶体进行切削实验,实验观测得到的临界切削厚度与仿真结果值的相对误差不超过10%,验证了仿真方法的有效性及仿真模型的准确性。

关键词： KDP晶体内聚力模型脆塑转变临界切削厚度裂纹扩展

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切削速度对单晶锗脆塑转变的影响

宇航材料工艺 2018年第4期48卷 80-84页

作者：杨晓京刘浩赵彪刘宁昆明理工大学机电工程学院昆明650500

采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)(111)晶面进行了纳米划痕实验,分析不同划痕速度对单晶锗不同晶面脆塑转变临界状态变化规律的影响,采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测。结果表明:划痕速度增加,单晶锗产生塑性去除的区域增大;但... 详细信息

采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)(111)晶面进行了纳米划痕实验,分析不同划痕速度对单晶锗不同晶面脆塑转变临界状态变化规律的影响,采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测。结果表明:划痕速度增加,单晶锗产生塑性去除的区域增大;但划痕速度过大,就会降低单晶锗产生塑性去除的区域。预测了在超精密切削加工中切削速度对单晶锗发生脆塑转变时的临界状态的影响规律,为实际超精密切削加工单晶锗零件提供数据支持。

关键词：单晶锗纳米划痕实验脆塑转变划痕速度临界状态

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微晶玻璃低温脆塑转变机理的研究

硅酸盐通报 2009年第5期28卷 1029-1032,1037页

作者：周亮左敦稳孙玉利朱永伟南京航空航天大学机电学院南京210016

微晶玻璃是一种新型的硬盘基板材料,目前大多采用超精密研磨和抛光进行加工。本文针对微晶玻璃低温抛光加工过程,研究了低温条件下微晶玻璃的脆塑转变机理,采用维氏硬度计研究了微晶玻璃在不同温度下的硬度以及裂纹的产生、扩展及特征,... 详细信息

微晶玻璃是一种新型的硬盘基板材料,目前大多采用超精密研磨和抛光进行加工。本文针对微晶玻璃低温抛光加工过程,研究了低温条件下微晶玻璃的脆塑转变机理,采用维氏硬度计研究了微晶玻璃在不同温度下的硬度以及裂纹的产生、扩展及特征,分析了温度对微晶玻璃脆塑转变的影响。结果表明:不同温度下,随着载荷的增加,微晶玻璃都经历了从塑性变形到脆性断裂的转变过程;随着温度的降低,微晶玻璃的显微硬度逐渐增加而裂纹长度减小。

关键词：微晶玻璃低温压痕法脆塑转变

单晶锗同晶面不同取向对脆塑转变影响的实验研究

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电子显微学报 2020年第4期39卷 364-369页

作者：马一鸣李珊杨晓京李金乐昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

单晶锗为各向异性材料,为考察同一晶面不同取向对单晶锗材料脆塑转变的影响,本文以(110)晶面单晶锗片为实验样品,进行了微纳米力学仪器化压入和划入的测量实验及分析,并利用超高分辨热场发射扫描电子显微镜,对实验后的样品表面微观形貌... 详细信息

单晶锗为各向异性材料,为考察同一晶面不同取向对单晶锗材料脆塑转变的影响,本文以(110)晶面单晶锗片为实验样品,进行了微纳米力学仪器化压入和划入的测量实验及分析,并利用超高分辨热场发射扫描电子显微镜,对实验后的样品表面微观形貌进行了观察。结果表明,单晶锗材料的同一晶面上的不同取向产生裂纹及裂纹的扩展能力不同。在同一晶面上的不同取向进行刻划后的表面质量及脆塑转变效果也不同。以单晶锗片倒角边缘晶向向右为0°正方向,实验涉及165°、45°以及-75°三个取向,在165°方向上最容易产生裂纹且最容易扩展,沿该方向刻划过程脆塑转变临界载荷和临界深度最大;在-75°方向上最不易产生裂纹及扩展,沿该方向刻划过程脆塑转变临界载荷和临界深度也最小。

关键词：单晶锗压痕实验划痕实验脆塑转变