第 1 章 緒 論

光學(xué)元器件的精密加工主要是利用磨料進(jìn)行精密磨削。在這種加工技術(shù)下，材料去除方式以脆性斷裂為主。因此制造過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生包括裂紋和殘余應(yīng)力等的亞表面損傷（SSD）。亞表面損傷會(huì)對(duì)光學(xué)元件表面質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如鍍層質(zhì)量、傳輸性能和激光引起的損傷閾值降低。尤其會(huì)縮短高功率激光系統(tǒng)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、軍事和航天中應(yīng)用的光學(xué)元件的使用壽命[2]。圖 1-1 為 1990 年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）。望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)部分是整個(gè)儀器的心臟，它的反射系統(tǒng)由兩個(gè)雙曲面反射鏡組成，一個(gè)是直徑為 2.4m的主鏡、另一個(gè)是安裝在主鏡前直徑為0.3m的副鏡。拋光后的鏡子要求解析力為普通望遠(yuǎn)鏡的十倍，大約為30nm。由于太空中溫差大，光學(xué)元件的亞表面裂紋會(huì)很容易擴(kuò)展，使鏡面產(chǎn)生扭曲，難以達(dá)到面形精度和平面度的要求。因此對(duì)于光學(xué)元件表面的加工質(zhì)量提出了很高的要求[3].

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第 2 章 準(zhǔn)靜態(tài)壓痕與沖擊實(shí)驗(yàn)研究

2.1 引言
壓痕實(shí)驗(yàn)使材料表面產(chǎn)生裂紋最簡(jiǎn)便且具有可控性的方法，經(jīng)常用來(lái)研究材料的靜態(tài)特性，特別是硬脆材料的韌性分析[38]。因?yàn)镵9光學(xué)玻璃材為典型硬脆材料，磨削后材料表面難免會(huì)存在一定程度的損傷，而現(xiàn)階段對(duì)于磨削亞表面損傷的研究多是基于壓痕斷裂力學(xué)，因此可采用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)?zāi)M磨削過(guò)程中對(duì)材料的壓印作用。通過(guò)維氏壓痕實(shí)驗(yàn)可對(duì)實(shí)驗(yàn)后的壓痕形貌進(jìn)行分析，并由半經(jīng)驗(yàn)公式得到K9光學(xué)玻璃材料的硬度和斷裂韌性，為研究材料的亞表面損傷奠定基礎(chǔ)。材料在沖擊載荷作用下將發(fā)生高速變形甚至破壞，受到?jīng)_擊載荷時(shí)的力學(xué)響應(yīng)與靜態(tài)時(shí)的力學(xué)響應(yīng)有很大差異。由材料微觀特性的影響,材料對(duì)高應(yīng)變率下破壞的抵抗能力遠(yuǎn)大于材料處于低應(yīng)變率時(shí)。該結(jié)論已由大量材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如位錯(cuò)導(dǎo)致金屬材料發(fā)生塑性變形，當(dāng)晶格中發(fā)生高速位錯(cuò)時(shí)所受阻力遠(yuǎn)大于低速位錯(cuò)，從而使金屬材料在高應(yīng)變率下呈現(xiàn)較高的屈服應(yīng)力[39]。

2.2 維氏壓痕實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用的是 CLEMEX ST-2000 數(shù)顯顯微硬度計(jì)，如圖 2-2 所示，通過(guò)該設(shè)備自帶的放大系統(tǒng)可觀測(cè)到實(shí)際壓痕形貌。本次壓痕實(shí)驗(yàn)設(shè)定的加載載荷分別為50gf、100gf、200gf、300gf、400gf 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保載 13s。由于測(cè)量試樣的表面粗糙度和曲率等會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，所以 K9 光學(xué)玻璃試件表面應(yīng)為粗糙度 Ra小于0.2μm的鏡面,且不沾有雜質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)所用K9光學(xué)玻璃材料的成分如表2-1,玻璃試件為直徑 10mm 的圓柱體,高度為 4mm，如圖 2-3 所示�？紤]毛坯制造過(guò)程中的缺陷難以保證壓痕實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前將上下表面進(jìn)行傳統(tǒng)拋光（拋光粉為氧化鈰），拋除表面損傷層。拋光后的試件經(jīng)原子力顯微鏡（AFM）檢測(cè)表面粗糙度小于 2nm（70  70μm范圍），，符合實(shí)驗(yàn)條件要求。

第 3 章 刻劃實(shí)驗(yàn)研究與沖擊作用評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立......................24

3.1 引言 .................... 24
3.2 準(zhǔn)靜態(tài)刻劃實(shí)驗(yàn) ........... 24
3.3 動(dòng)態(tài)沖擊刻劃實(shí)驗(yàn) .............. 35
3.4 動(dòng)態(tài)沖擊刻劃過(guò)程中沖擊作用大小評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立 ....................... 40
3.5 本章小結(jié) ................. 43
第 4 章 K9 玻璃磨削亞表面裂紋深度預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究.............44
4.1 前言 ...................... 44
4.2 裂紋深度預(yù)測(cè)模型的建立 ............ 44
4.3 磨削實(shí)驗(yàn)研究............................... 48
4.4 K9 玻璃磨削亞表層裂紋深度模型的驗(yàn)證................... 55
4.5 本章小結(jié) ............ 56
結(jié) 論...........57

第 4 章 K9 玻璃磨削亞表面裂紋深度預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究

4.1 前言

由于需要對(duì)硬脆材料磨削后引入的亞表層損傷進(jìn)行分析，因此對(duì)于亞表面裂紋深度測(cè)量方法的研究較為廣泛,大致分為破壞性檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩大類。但無(wú)論是無(wú)損檢測(cè)還是破壞性檢測(cè)技術(shù)通常存在操作復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，因此在實(shí)際硬脆材料加工檢測(cè)中的應(yīng)用具有一定局限性。本章通過(guò)研究磨削亞表面損傷的形成機(jī)理，建立基于磨削參數(shù)和表面粗糙度兩方面信息的亞表面損傷預(yù)測(cè)模型對(duì)亞表面裂紋深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)際上是對(duì)損傷檢測(cè)的一種快速有效的補(bǔ)充，并利用磨削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的正確性。

4.2 裂紋深度預(yù)測(cè)模型的建立

在對(duì)工程陶瓷磨削所產(chǎn)生的裂紋損傷研究中,Evans 和 Lawn[60]利用壓痕斷裂力學(xué)模型，提出可以用徑向和橫向裂紋系統(tǒng)對(duì)尖銳壓頭的印壓和刻劃所產(chǎn)生的亞表面損傷進(jìn)行描述，如圖 4-1 所示。磨削脆性材料過(guò)程中的材料去除機(jī)理可用尖銳壓頭壓入試件表面的模型來(lái)簡(jiǎn)化。當(dāng)對(duì)壓頭施加的載荷超過(guò)臨界值時(shí)，在與試件接觸點(diǎn)正下方會(huì)產(chǎn)生不可逆的塑性變形。隨著載荷的增大，將會(huì)導(dǎo)致塑性區(qū)域的增大和中位及側(cè)向裂紋系統(tǒng)的形成。在載荷nF 作用下錐角為 2ψ 的尖銳壓頭緩慢地壓入材料表面，使工件表面產(chǎn)生塑性變形。隨著加載過(guò)程的進(jìn)行，裂紋在加載到達(dá)臨界載荷時(shí)生成，最終在材料亞表面生成塑性壓痕和特征尺寸為c的徑向裂紋。
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結(jié) 論

本課題所得到的結(jié)論如下：1.通過(guò)統(tǒng)計(jì)維氏壓痕實(shí)驗(yàn)壓痕特征尺寸及分析壓痕形貌，得到材料的維氏硬度及斷裂韌性，驗(yàn)證了壓痕尺寸效應(yīng)；加載載荷增加使裂紋沿壓痕棱角向外對(duì)增大，材料產(chǎn)生脆性斷裂，且壓痕之間的干涉會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的微小裂紋。將SHPB實(shí)驗(yàn)得到的材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為三個(gè)階段：線彈性階段、非線性開裂階段和應(yīng)力驟降階段。由不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知玻璃材料存在應(yīng)變率效應(yīng)，需考慮沖擊作用所帶來(lái)的高應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)性能的影響。2. 利用維氏壓頭對(duì)玻璃試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊刻劃實(shí)驗(yàn)?zāi)M砂輪單顆粒磨削工件的過(guò)程。對(duì)比刻劃后表面形貌，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)刻劃時(shí)材料為大塊脆性去除，而動(dòng)態(tài)沖擊刻劃時(shí)材料是小塊崩碎性去除且有明顯的沖擊剝落現(xiàn)象。靜態(tài)刻劃時(shí)亞表面裂紋以少量大裂紋為主，而動(dòng)態(tài)沖擊刻劃以大量微小裂紋為主，說(shuō)明磨粒沖擊作用對(duì)表面和亞表面損傷影響明顯。將沖擊刻劃過(guò)程中材料的應(yīng)變率作為單顆粒金剛石的沖擊作用大小評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著磨粒沖擊效應(yīng)的增大，法向刻劃力、最大裂紋深度、側(cè)向裂紋深度逐漸減小。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：37493