不同形状压头不同刻划方向微纳刻划BK7光学玻璃时的力学行为
发布时间：2021-03-26 12:05
光学玻璃具有良好的物理化学性能和独特的光学性能,广泛应用于航空航天、微机电、显示与触控等精密领域。光学玻璃是典型的硬脆性材料,在机械加工过程中极易产生表面裂纹和亚表面损伤,给加工制造带来极大挑战。织构砂轮已被广泛用于硬脆性材料的精密及其表面微结构加工,为探究织构砂轮磨粒的形状及其排布方向对磨削质量的影响,本文系统研究不同形状压头、不同刻划方向微纳刻划BK7光学玻璃时的力--位响应（P～h）、弹性回复率、摩擦特性、致密化、抗裂性、脆塑转变及脆性去除等力学行为。通过纳米压痕实验,测量分析BK7光学玻璃的弹性模量、微纳硬度等材料特性;以单晶硅为参照对象,分析、计算BK7光学玻璃的断裂韧性,其在相同条件下抵抗接触载荷的能力和抵抗裂纹扩展的能力比较弱。推导了不同形状压头（Vickers、Berkovich/Cube cornor压头）不同刻划方向（面朝前刻划、棱朝前刻划）刻划时的P～h响应关系模型,构建不同刻划深度下的考虑压头几何形状、材料参数的微纳刻划硬度模型和脆塑转变临界深度模型。实验研究Vickers、Berkovich压头在相同刻划载荷下,面朝前和棱朝前刻划时BK7光学玻璃的P～h响应、...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
印压的弹塑性应力场模型
第一章绪论3应力场的叠加。定性地说，Yoffe的模型较好地预测了中位-径向-横向裂纹系统的产生和扩展。莱斯大学学者Cook和Pharr等[8]在硬脆性材料的印压实验观察到圆锥形裂纹、径向裂纹、中位裂纹、横向裂纹、半硬币（half-penny）五种不同类型的裂纹，研究中发现Blister应力场中的应力强度因子B与印压过程中由残余应力场引起的体积减少量有关系，而体积减少量与材料的致密性和塑形流动密切相关。1.2.2硬脆性材料微纳刻划研究现状（1）硬脆性材料微纳刻划实验研究现状硬脆性材料的微纳米刻划是一个多因素共同影响的过程。天津大学的仇中军[19]、哈尔滨工业大学的Rui[20]等在精密机床上分别对玻璃陶瓷和BK7光学玻璃进行不同速度的刻划实验，通过聚焦离子束(FIB)方法获取截面情况和深宽比的变化，得到了两种典型的硬脆性材料从塑性变形向脆性断裂转变的临界点。研究发现随着刻划速度的增加，塑性变形区半径和中位裂纹的长度会变小，脆塑转变临界深度会增加。法国学者Houerou[21]探究了环境湿度、加载历史、玻璃的组成成分对刻划行为的影响，发现刻划形貌与湿度密切相关，湿度越高，在同一载荷下越早出现不同的损伤过程。湿度主要影响中位、径向裂纹的扩展，但在压头后方形成的横向裂纹对湿度相对不敏感。在湿度为0%的环境下刻划，几乎没有观察到径向裂纹和横向裂纹。Ahn、Bulsara和Houerou等[22-24]各自在刻划实验研究中，发现材料变形及去除模式与刻划载荷大小密切相关，并且对于低载荷而言，在刻划过程中形成不同类型的微裂纹，分别是中位裂纹、径向裂纹以及横向裂纹，硬脆性材料微纳刻划的裂纹系统示意图如图1-2所示。图1-2硬脆性材料刻划裂纹系统示意图[23]
第一章绪论7宝石脆塑转变临界深度的影响，但脆塑转变临界深度的评判标准仍需进一步探究。为了探讨压头尖端半径对硬脆性材料变形和去除的影响，哈尔滨工业大学张飞虎团队[38]通过不同尖端半径（40nm、1.5m）的Berkovich压头对Gd3Ga5O12（钆镓石榴）进行变载荷刻划的研究，发现钝压头刻划时可以获得光滑的凹槽底部，并且会产生分离的切屑；尖锐的压头刻划会产生连续的切屑，凹槽底部会产生微裂纹。华侨大学段念[39]在单晶碳化硅的刻划实验中，探究圆锥形压头的圆弧半径对材料去除的影响。随着圆弧半径的增加，单晶碳化硅的脆塑转变临界深度增大，脆塑转变过程中的裂纹长度和损伤崩碎也逐渐增加。Axinte[40]通过激光加工中心烧蚀得到方形、三角形和圆形的楔形磨粒，探究不同形状的磨粒对蓝宝石材料去除的影响，如图1-5所示。研究发现，蓝宝石在方形和三角形楔形磨粒刻划过程中会出现大量的晶间断裂为主的裂纹。以圆形楔形磨粒为参考，蓝宝石加工过程中方形和三角形楔形磨粒的特定切削力分别减少44%和66%。这在一定程度上体现了硬脆性材料加工过程中磨粒的几何形状对工程砂轮的重要性，但没有更好地对划痕微观特征、表面形貌等进行深入研究，工件对于不同形状的磨粒加工过程所呈现的力学行为特征仍然很模糊。关于刀具形状对硬脆性材料微纳刻划影响的研究，国内外的学者大部分研究蓝宝石、单晶硅和碳化硅等材料的脆塑转变和脆性去除，关于光学玻璃的研究很少。图1-5不同形状的磨粒模型及俯视图：(a)几何模型；(b)圆形；(c)方形；(d)三角形楔形磨粒[40]1.3.2光学玻璃脆塑转变临界深度研究现状在硬脆性材料的变切深刻划中，随着刻划深度的增加，材料的去除模式由塑形去除
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究[J]. 段念,黄身桂,于怡青,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(15)
[2]基于变切深纳米刻划的K9玻璃表面成形特征及去除机制研究[J]. 张飞虎,李琛,孟彬彬,赵航,刘忠德. 机械工程学报. 2016(17)
[3]光学元件亚表层裂纹成核临界条件研究[J]. 王洪祥,王景贺,严志龙,周岩,徐曦,钟波. 强激光与粒子束. 2016(04)
博士论文
[1]石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究[D]. 王伟.山东大学 2017
硕士论文
[1]脆性材料磨削材料去除及亚表面损伤的理论与仿真研究[D]. 王常楚.湖南大学 2016
本文编号：3101554
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
印压的弹塑性应力场模型
第一章绪论3应力场的叠加。定性地说，Yoffe的模型较好地预测了中位-径向-横向裂纹系统的产生和扩展。莱斯大学学者Cook和Pharr等[8]在硬脆性材料的印压实验观察到圆锥形裂纹、径向裂纹、中位裂纹、横向裂纹、半硬币（half-penny）五种不同类型的裂纹，研究中发现Blister应力场中的应力强度因子B与印压过程中由残余应力场引起的体积减少量有关系，而体积减少量与材料的致密性和塑形流动密切相关。1.2.2硬脆性材料微纳刻划研究现状（1）硬脆性材料微纳刻划实验研究现状硬脆性材料的微纳米刻划是一个多因素共同影响的过程。天津大学的仇中军[19]、哈尔滨工业大学的Rui[20]等在精密机床上分别对玻璃陶瓷和BK7光学玻璃进行不同速度的刻划实验，通过聚焦离子束(FIB)方法获取截面情况和深宽比的变化，得到了两种典型的硬脆性材料从塑性变形向脆性断裂转变的临界点。研究发现随着刻划速度的增加，塑性变形区半径和中位裂纹的长度会变小，脆塑转变临界深度会增加。法国学者Houerou[21]探究了环境湿度、加载历史、玻璃的组成成分对刻划行为的影响，发现刻划形貌与湿度密切相关，湿度越高，在同一载荷下越早出现不同的损伤过程。湿度主要影响中位、径向裂纹的扩展，但在压头后方形成的横向裂纹对湿度相对不敏感。在湿度为0%的环境下刻划，几乎没有观察到径向裂纹和横向裂纹。Ahn、Bulsara和Houerou等[22-24]各自在刻划实验研究中，发现材料变形及去除模式与刻划载荷大小密切相关，并且对于低载荷而言，在刻划过程中形成不同类型的微裂纹，分别是中位裂纹、径向裂纹以及横向裂纹，硬脆性材料微纳刻划的裂纹系统示意图如图1-2所示。图1-2硬脆性材料刻划裂纹系统示意图[23]
第一章绪论7宝石脆塑转变临界深度的影响，但脆塑转变临界深度的评判标准仍需进一步探究。为了探讨压头尖端半径对硬脆性材料变形和去除的影响，哈尔滨工业大学张飞虎团队[38]通过不同尖端半径（40nm、1.5m）的Berkovich压头对Gd3Ga5O12（钆镓石榴）进行变载荷刻划的研究，发现钝压头刻划时可以获得光滑的凹槽底部，并且会产生分离的切屑；尖锐的压头刻划会产生连续的切屑，凹槽底部会产生微裂纹。华侨大学段念[39]在单晶碳化硅的刻划实验中，探究圆锥形压头的圆弧半径对材料去除的影响。随着圆弧半径的增加，单晶碳化硅的脆塑转变临界深度增大，脆塑转变过程中的裂纹长度和损伤崩碎也逐渐增加。Axinte[40]通过激光加工中心烧蚀得到方形、三角形和圆形的楔形磨粒，探究不同形状的磨粒对蓝宝石材料去除的影响，如图1-5所示。研究发现，蓝宝石在方形和三角形楔形磨粒刻划过程中会出现大量的晶间断裂为主的裂纹。以圆形楔形磨粒为参考，蓝宝石加工过程中方形和三角形楔形磨粒的特定切削力分别减少44%和66%。这在一定程度上体现了硬脆性材料加工过程中磨粒的几何形状对工程砂轮的重要性，但没有更好地对划痕微观特征、表面形貌等进行深入研究，工件对于不同形状的磨粒加工过程所呈现的力学行为特征仍然很模糊。关于刀具形状对硬脆性材料微纳刻划影响的研究，国内外的学者大部分研究蓝宝石、单晶硅和碳化硅等材料的脆塑转变和脆性去除，关于光学玻璃的研究很少。图1-5不同形状的磨粒模型及俯视图：(a)几何模型；(b)圆形；(c)方形；(d)三角形楔形磨粒[40]1.3.2光学玻璃脆塑转变临界深度研究现状在硬脆性材料的变切深刻划中，随着刻划深度的增加，材料的去除模式由塑形去除
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究[J]. 段念,黄身桂,于怡青,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(15)
[2]基于变切深纳米刻划的K9玻璃表面成形特征及去除机制研究[J]. 张飞虎,李琛,孟彬彬,赵航,刘忠德. 机械工程学报. 2016(17)
[3]光学元件亚表层裂纹成核临界条件研究[J]. 王洪祥,王景贺,严志龙,周岩,徐曦,钟波. 强激光与粒子束. 2016(04)
博士论文
[1]石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究[D]. 王伟.山东大学 2017
硕士论文
[1]脆性材料磨削材料去除及亚表面损伤的理论与仿真研究[D]. 王常楚.湖南大学 2016
本文编号：3101554
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