基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，包括：S1、制备试样；S2、维氏压痕试验生成并估算中位裂纹深度；S3、测出试样的断裂强度；S4、通过对断裂强度及中位裂纹深度进行线性拟合，根据拟合曲线获得待测研磨后试样断裂强度与亚表面损伤深度的关系式，根据关系式推算出亚表面损伤深度。本发明专利技术根据待测材料断裂强度与亚表面损伤深度的关系式推算出试样亚表面损伤深度，为以后的同类脆性材料提供SSD指导；该方法所得结果与黏结截面切片技术测量的SSD深度值相比较，结果表明，它们之间具有良好的一致性，表明本发明专利技术方法具有较高的测量精度。本发明专利技术方法具有较高的测量精度。本发明专利技术方法具有较高的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法


[0001]本专利技术涉及一种基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，属于脆性材料超精密加工领域。

技术介绍

[0002]磨削工艺由于其高效且廉价的特点而被广泛应用于高精度脆性材料的成形加工过程当中。但即使拥有极低表面粗糙度的光滑抛光表面也依然存在不可忽视的缺陷即亚表面损伤。亚表面损伤产生于加工脆性材料(例如玻璃和陶瓷)时，也有可能材料本身较高脆性和较低断裂韧性的属性而固有存在的。亚表面损伤由凹坑，微裂纹和划痕组成。当脆性材料加载极高载荷时，特别是由细磨料加载的压力时，及易产生脆性断裂。亚表面损伤程度将直接影响光学元件额定激光功率，引起激光的散射，降低光束的质量，进而导致光学表面的激光损伤位点。此外，亚表面损伤大大降低脆性材料的强度，使其低于理论强度值。因此，降低亚表面损伤将会提高脆性材料的强度、稳定性和抗激光损伤阈值，优化其光学特性并影响其一些重要性能指标。所以，评估脆性材料亚表面损伤程度是至关重要的。
[0003]亚表面损伤层位于抛光重积层之下。因此，在不对样品造成破坏的情况下是难以测量亚表面损伤深度的。但是，经过相对浓度的氢氟酸稀释液处理后的材料表面将显示出亚表面损伤程度，但是不能直接观测亚表面损伤深度。鉴于此难点，鉴于此难点，大量研究者建立了亚表面损伤深度与加工过程中所使用的磨料磨粒尺寸或表面粗糙度之间的相关模型。约翰
·
C
·
兰普罗普洛斯研究了在不同工艺参数下磨削不同光学材料时亚表面损伤深度与磨粒粒度的关系，得到由磨粒粒度的上下界来估算亚表面损伤深度值的理论公式：0.3L
0.68
＜SSD(μm)＜2L
0.85
；式中，L为磨粒的粒度。
[0004]在另外一些研究中提出了材料表面粗糙度与亚表面损伤深度的相关模型。李圣怡等通过研究纳米压头诱发的中位、横向裂纹系统，建立了研磨BK7玻璃的亚表面损伤深度与其表面粗糙度关系的理论模型。该理论模型由一个非线性关系构成，其依赖材料的固有属性和磨粒的几何形状。后来姚振强等考虑磨粒和试样之间的动力学关系，提出了一种不同的亚表面损伤深度与表面粗糙度关系的理论模型，但是这种模型需要嵌入活性磨粒，这使得该项技术难以实现。尽管所有这些理论模型都能预测工件的亚表面损伤深度，但是工件的表面质量并不是可靠的预测指标。因此，存在许多检测技术来评估亚表面损伤层。迄今为止，现存有各种各样的破坏性和非破坏性亚表面损伤检测技术和亚表面损伤深度评估技术。第一类是破坏性方法：离子通道法、角度抛光法、化学腐蚀法、磁流变抛光法等，这些方法都基本满足了精度需求。第二类是非破坏性方法：拉曼光谱法、X射线散射法、激光共聚焦扫描显微镜、全内反射显微镜等。后者的精度远远不及破环性测量方法。
[0005]基于上述，有必要研究一种脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，通过
断裂强度来评估脆性材料亚表面损伤深度。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，包括以下步骤：
[0008]S1、制备试样；
[0009]S2、维氏压痕试验生成并估算中位裂纹深度；
[0010]S3、测出试样的断裂强度；
[0011]S4、通过对断裂强度及中位裂纹深度进行线性拟合，根据拟合曲线获得待测研磨后试样断裂强度与亚表面损伤深度的关系式，根据关系式推算出亚表面损伤深度。
[0012]还包括S5，S5具体为：运用黏结截面切片技术直接测量试样所产生的亚表面损伤深度，与本专利技术方法所测量的亚表面损伤深度对比，对亚表面损伤深度进行评价。
[0013]所述S1步骤具体如下：将待制备样品采用聚氨酯衬垫和CeO2悬浮液抛光成试样，将试样分成两组，一组采用研磨，研磨时采用氧化铝蒸馏悬浮液研磨试样，另一组在抛光后不做处理。
[0014]所述衬垫选用SFMA
‑
软聚氨酯垫，CeO2悬浮液的颗粒的分散性同时适用于一次颗粒与二次颗粒，即由一次颗粒组成的聚集体，二次颗粒的分散指数位于0.26与0.6之间。
[0015]所述分散系数取值在0.26与0.4之间。
[0016]所述S2步骤具体为：使用显微硬度测试仪，将维氏压头压入到抛光试样表面以产生中位裂纹，法向载荷控制在100到2000mN之间，接着通过如下公式估算中位裂纹深度：
[0017][0018]式中，E为试样的弹性模量，H为维氏硬度，2ψ为维氏压头角度，K
IC
为材料的断裂韧性，F为载荷。
[0019]所述S3步骤具体为：利用四点弯曲实验分别确定抛光后试样、研磨后试样的断裂强度。
[0020]通过对抛光后试样断裂强度σ
f
及抛光后试样中位裂纹深度C
mi
进行线性拟合，根据拟合曲线获得待测研磨后试样断裂强度与亚表面损伤深度的关系式，根据关系式推算出亚表面损伤深度。
[0021]所述S4中待测研磨后试样断裂强度与亚表面损伤深度的关系式具体为：
[0022]σ＝108.6
‑
2.89e
0.07D
[0023]式中，σ为实际生产运用中待测研磨后试样的断裂强度，D为亚表面损伤深度。
[0024]所述研磨后试样采用磨粒粒度为F7和F80。
[0025]本专利技术的有益效果是：本专利技术利用维氏压痕试验所产生的中位裂纹深度与四点弯曲试验所得断裂强度之间的关系可拟合得到待测材料断裂强度与亚表面损伤深度的关系式，根据关系式推算出试样亚表面损伤深度，为以后的同类脆性材料提供SSD指导；该方法所得结果与黏结截面切片技术测量的SSD深度值相比较，结果表明，它们之间具有良好的一致性，表明本专利技术方法具有较高的测量精度。
附图说明
[0026]图1为测量方法的流程示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例中研磨系统示意图；
[0028]图3为本专利技术实施例中四点弯曲试验台示意图；
[0029]图4为本专利技术实施例中脆性材料压痕裂纹系统示意图；
[0030]图5为本专利技术实施例中黏结截面切片技术原理示意图；
[0031]图6为本专利技术中中位裂纹深度随压头载荷变化的关系图；
[0032]图7为本专利技术中校准曲线图；
[0033]图8为本专利技术中所提方案所得SSD深度值和断裂强度与磨粒尺寸的关系示意图。
[0034]图9为本专利技术中直接测量所得SSD深度值与所提方案所得SSD深度值条形示意图；
[0035]图中各标号为：1
‑
转轴、2
‑
样品架、3
‑
研磨台、4
‑
样品、5
‑
压头、6
‑
塑性域、7
‑
横向裂纹、8
‑
中位裂纹、9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、制备试样；S2、维氏压痕试验生成并估算中位裂纹深度；S3、测出试样的断裂强度；S4、通过对断裂强度及中位裂纹深度进行线性拟合，根据拟合曲线获得待测研磨后试样断裂强度与亚表面损伤深度的关系式，根据关系式推算出亚表面损伤深度。2.根据权利要求1所述的基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于：还包括S5，S5具体为：运用黏结截面切片技术直接测量试样所产生的亚表面损伤深度，与本发明方法所测量的亚表面损伤深度对比，对亚表面损伤深度进行评价。3.根据权利要求1或2所述的基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于：所述S1步骤具体如下：将待制备样品采用聚氨酯衬垫和CeO2悬浮液抛光成试样，将试样分成两组，一组采用研磨，研磨时采用氧化铝蒸馏悬浮液研磨试样，另一组在抛光后不做处理。4.根据权利要求3所述的基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于：所述衬垫选用SFMA
‑
软聚氨酯垫，CeO2悬浮液的颗粒的分散性同时适用于一次颗粒与二次颗粒，即由一次颗粒组成的聚集体，二次颗粒的分散指数位于0.26与0.6之间。5.根据权利要求4所述的基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法，其特征在于：所述分散系数取值在0.26与0.4之间。6.根据权利要求1或2所述的基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓京，杜广源，刘用，刘卓，姚同，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：