光学玻璃磨削亚表面裂纹分析及深度预测研究

发布时间：2016-04-11 17:26

第 1 章 绪 论

光学元器件的精密加工主要是利用磨料进行精密磨削。在这种加工技术下，材料去除方式以脆性断裂为主。因此制造过程中不可避免的产生包括裂纹和残余应力等的亚表面损伤（SSD）。亚表面损伤会对光学元件表面质量产生严重影响，如镀层质量、传输性能和激光引起的损伤阈值降低。尤其会缩短高功率激光系统、半导体产业、军事和航天中应用的光学元件的使用寿命[2]。图 1-1 为 1990 年美国国家航空航天局（NASA）发射升空的哈勃空间望远镜（HST）。望远镜的光学部分是整个仪器的心脏，它的反射系统由两个双曲面反射镜组成，一个是直径为 2.4m的主镜、另一个是安装在主镜前直径为0.3m的副镜。抛光后的镜子要求解析力为普通望远镜的十倍，大约为30nm。由于太空中温差大，光学元件的亚表面裂纹会很容易扩展，使镜面产生扭曲，难以达到面形精度和平面度的要求。因此对于光学元件表面的加工质量提出了很高的要求[3].

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第 2 章 准静态压痕与冲击实验研究

2.1 引言
压痕实验使材料表面产生裂纹最简便且具有可控性的方法，经常用来研究材料的静态特性，特别是硬脆材料的韧性分析[38]。因为K9光学玻璃材为典型硬脆材料，磨削后材料表面难免会存在一定程度的损伤，而现阶段对于磨削亚表面损伤的研究多是基于压痕断裂力学，因此可采用准静态压痕实验模拟磨削过程中对材料的压印作用。通过维氏压痕实验可对实验后的压痕形貌进行分析，并由半经验公式得到K9光学玻璃材料的硬度和断裂韧性，为研究材料的亚表面损伤奠定基础。材料在冲击载荷作用下将发生高速变形甚至破坏，受到冲击载荷时的力学响应与静态时的力学响应有很大差异。由材料微观特性的影响,材料对高应变率下破坏的抵抗能力远大于材料处于低应变率时。该结论已由大量材料实验验证，如位错导致金属材料发生塑性变形，当晶格中发生高速位错时所受阻力远大于低速位错，从而使金属材料在高应变率下呈现较高的屈服应力[39]。

2.2 维氏压痕实验
实验采用的是 CLEMEX ST-2000 数显显微硬度计，如图 2-2 所示，通过该设备自带的放大系统可观测到实际压痕形貌。本次压痕实验设定的加载载荷分别为50gf、100gf、200gf、300gf、400gf 进行实验，保载 13s。由于测量试样的表面粗糙度和曲率等会对测量结果带来误差，所以 K9 光学玻璃试件表面应为粗糙度 Ra小于0.2μm的镜面,且不沾有杂质。本实验所用K9光学玻璃材料的成分如表2-1,玻璃试件为直径 10mm 的圆柱体,高度为 4mm，如图 2-3 所示。考虑毛坯制造过程中的缺陷难以保证压痕实验的准确性，实验前将上下表面进行传统抛光（抛光粉为氧化铈），抛除表面损伤层。抛光后的试件经原子力显微镜（AFM）检测表面粗糙度小于 2nm（70  70μm范围），，符合实验条件要求。

第 3 章 刻划实验研究与冲击作用评价指标的建立......................24

3.1 引言 .................... 24
3.2 准静态刻划实验 ........... 24
3.3 动态冲击刻划实验 .............. 35
3.4 动态冲击刻划过程中冲击作用大小评价标准的建立 ....................... 40
3.5 本章小结 ................. 43
第 4 章 K9 玻璃磨削亚表面裂纹深度预测及实验研究.............44
4.1 前言 ...................... 44
4.2 裂纹深度预测模型的建立 ............ 44
4.3 磨削实验研究............................... 48
4.4 K9 玻璃磨削亚表层裂纹深度模型的验证................... 55
4.5 本章小结 ............ 56
结 论...........57

第 4 章 K9 玻璃磨削亚表面裂纹深度预测及实验研究

4.1 前言

由于需要对硬脆材料磨削后引入的亚表层损伤进行分析，因此对于亚表面裂纹深度测量方法的研究较为广泛,大致分为破坏性检测和无损检测两大类。但无论是无损检测还是破坏性检测技术通常存在操作复杂，检测周期长等问题，因此在实际硬脆材料加工检测中的应用具有一定局限性。本章通过研究磨削亚表面损伤的形成机理，建立基于磨削参数和表面粗糙度两方面信息的亚表面损伤预测模型对亚表面裂纹深度进行预测，实际上是对损伤检测的一种快速有效的补充，并利用磨削实验验证预测模型的正确性。

4.2 裂纹深度预测模型的建立

在对工程陶瓷磨削所产生的裂纹损伤研究中,Evans 和 Lawn[60]利用压痕断裂力学模型，提出可以用径向和横向裂纹系统对尖锐压头的印压和刻划所产生的亚表面损伤进行描述，如图 4-1 所示。磨削脆性材料过程中的材料去除机理可用尖锐压头压入试件表面的模型来简化。当对压头施加的载荷超过临界值时，在与试件接触点正下方会产生不可逆的塑性变形。随着载荷的增大，将会导致塑性区域的增大和中位及侧向裂纹系统的形成。在载荷nF 作用下锥角为 2ψ 的尖锐压头缓慢地压入材料表面，使工件表面产生塑性变形。随着加载过程的进行，裂纹在加载到达临界载荷时生成，最终在材料亚表面生成塑性压痕和特征尺寸为c的径向裂纹。
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结 论

本课题所得到的结论如下：1.通过统计维氏压痕实验压痕特征尺寸及分析压痕形貌，得到材料的维氏硬度及断裂韧性，验证了压痕尺寸效应；加载载荷增加使裂纹沿压痕棱角向外对增大，材料产生脆性断裂，且压痕之间的干涉会产生不规则的微小裂纹。将SHPB实验得到的材料应力-应变关系曲线分为三个阶段：线弹性阶段、非线性开裂阶段和应力骤降阶段。由不同应变率下的应力应变曲线可知玻璃材料存在应变率效应，需考虑冲击作用所带来的高应变率对材料力学性能的影响。2. 利用维氏压头对玻璃试件进行准静态和动态冲击刻划实验模拟砂轮单颗粒磨削工件的过程。对比刻划后表面形貌，发现准静态刻划时材料为大块脆性去除，而动态冲击刻划时材料是小块崩碎性去除且有明显的冲击剥落现象。静态刻划时亚表面裂纹以少量大裂纹为主，而动态冲击刻划以大量微小裂纹为主，说明磨粒冲击作用对表面和亚表面损伤影响明显。将冲击刻划过程中材料的应变率作为单颗粒金刚石的冲击作用大小评价指标，随着磨粒冲击效应的增大，法向刻划力、最大裂纹深度、侧向裂纹深度逐渐减小。

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参考文献（略）

本文编号：37493