基于纳米划刻实验的单晶锗表面变形机制研究

采用Cube压头对单晶锗进行变载荷纳米划刻实验,利用扫描电子显微镜(SEM)对已加工表面形貌进行观测,根据工件形貌特征将划刻过程分为延性域、脆塑转变域及脆性域3种,对各个阶段的表面变形机制进行了研究。通过拉曼光谱分析了划刻时单晶锗物相结构变化,结果表明单晶锗工件划刻时由晶体相转变为非晶相的相变主导了塑性变形过程。采用最小二乘法拟合不同阶段划刻力,并利用相关系数检验拟合函数可靠性。分析了单晶锗的弹性回复率随划刻距离变化趋势,并结合工件弹性回复率对单晶锗划刻过程中摩擦系数进行量化分析,将其分解为黏着摩擦系数与耕犁摩擦系数。基于Irwin断裂理论,以裂纹萌生位置作为脆塑转变标志,提出一种适用于计算单晶锗的脆塑转变临界载荷模型,其脆塑转变临界载荷为50. 5 mN。     

表面纳米晶化处理中碳钢的组织与力学性能

采用高能表面处理技术在40Cr钢的表面制备出具有纳米晶体特征的表面层.用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了表面纳米层的微观结构,并利用纳米压入法测定了表面纳米层的硬度.结果表明,经过高能表面处理后,样品表面层的晶粒细化为纳米晶,平均晶粒尺寸约为11 nm,表面纳米层的硬度明显提高.     

浅谈高炉喷煤枪的车削加工

针对车削喷煤枪材料而出现的加工硬化倾向和切削力大、切屑粘附刃口严重、切削塑性变性大、切削热多等因素,经过对喷煤枪材料切削性能的分析,采用正确的刀具材料,通过多次切削实验,确定了车刀的几何参数和加工工艺,改善了原切削性能,提高了工件加工质量和效率,降低了刀具的消耗量.     

基于硬脆材料加工的金刚石涂层硬质合金刀具制备及切削性能研究

利用热丝化学气相沉积法,在硬质合金球头铣刀表面制备出不同碳源浓度的金刚石涂层,研究了碳源浓度对金刚石涂层微观结构及刀具切削性能的影响。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱吸收仪和X射线衍射仪分析了刀具表面金刚石涂层的表面形貌、组成成分和晶粒取向,并利用制备的金刚石涂层铣刀进行石材加工实验。结果表明:与2%、3%碳源浓度相比,1%碳源浓度所制备金刚石涂层的晶粒尺寸较大,微米级金刚石晶型完整;3%碳源浓度金刚石涂层表面生成了大量纳米金刚石晶粒。碳源浓度为3%的金刚石涂层铣刀的后刀面磨损量最大,而1%碳源浓度金刚石涂层铣刀的涂层与基体结合力高,铣刀后刀面磨损量最小,金刚石涂层未明显剥落,切削寿命最长。     

3％无取向硅钢薄板的表面纳米化结构与性能

为了探索金属薄板表面纳米化制备方法,本工作选取3％无取向硅钢热轧板进行表面机械研磨处理(SMAT)和异步轧制(CSR),研究深度方向结构和硬度的变化.结果表明:SMAT过程中,3％无取向硅钢通过位错的演变,在表面形成了等轴状、尺寸约为10 nm的、取向呈随机分布的纳米晶,纳米晶层厚度约为20 μm; SMAT样品经过C...     

磁控溅射Cu/Mo纳米多层膜的结构与性能

用磁控溅射法在单晶硅和聚酰亚胺衬底上制备了恒定调制比(η=1)、调制周期λ=10～ 100 nm的Cu/Mo纳米多层膜,运用XRD,HRTEM,EDX,AFM,单轴拉伸系统、显微硬度仪和电阻仪对多层膜的微观结构、表面形貌和力学及电学性能进行了研究.结果表明,Cu/Mo多层膜中的Cu层和Mo层分别具有Cu( 111)和Mo(110)择优取向,Cu层呈柱状纳米晶、Mo层为极细纳米晶结构,Cu/Mo层间界面处存在一定厚度的扩散混合层.Cu/Mo多层膜的结构和性能受到调制周期和Cu层厚度的显著影响.在调制比η=1的条件下,随着调制周期的增加,软相Cu层厚度增大,Cu/Mo多层膜总体的屈服强度和显微硬度明显下降,裂纹萌生临界应变εc和电导率则显著上升.主要原因在于,随Cu层厚度的增加,Cu晶粒尺寸增大,Cu层内晶界密度降低,使Cu层的位错运动阻力减小、塑性变形能力增强,Cu层内电子散射效应减弱.同时当Cu/Mo多层膜总厚度恒定时,多层膜中Cu层和Mo层的层间界面数量亦随Cu层厚度的增加而减少,减弱了层间界面的电子散射效应,从而使多层膜电导率得以提高.     

高温热解法合成硫化亚铜纳米晶

以氯化铜和十二烷基硫醇为原料,聚乙二醇为表面活性剂,采用高温热解法在200℃反应30min,成功制备了硫化亚铜纳米碟晶体。利用X射线粉末衍射仪(XRD)、紫外可见吸收光谱(UV-3600)、透射电子显微镜(TEM)以及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、元素分析(EDS)等对产品进行表征。结果表明,所制备的硫化亚铜纳米晶体为六方晶相结构,吸收光谱显示吸收峰在1880nm左右,并且为宽带吸收,透射电镜表明硫化亚铜纳米碟晶体的直径约为80nm。光催化试验表明,在紫外和可见区该硫化铜纳米晶具有较高的光催化活性。经35W氙灯和450 W高压汞灯光照射30min,亚甲基蓝的降解率分别达到98.2%和81.6%。     

表面机械研磨工业纯钛表面纳米化研究

表面机械研磨处理可以使工业纯钛形成纳米表面层, 通过扫描电镜、透射电镜和高分辨电镜观察SMAT处理后的工业纯钛表层组织, 并研究了工业纯钛表面纳米化机制. 工业纯钛表面纳米化机制为: 孪晶的形成和孪晶的交割使得原始晶粒尺寸减小, 同时使晶格取向发生改变, 有利于位错滑移; 孪晶通过自身交割, 以及位错密度增加及其相互作用, 形成了细小的孪晶与胞状组织; 胞状组织转变为多边形亚晶; 亚晶不断吸收位错形成大角度晶界, 亚晶以及取向不同的细小孪晶逐渐转变为随机取向的纳米晶.     

Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化机制研究

借助X射线衍射仪、透射电镜及显微硬度仪等先进仪器,研究了经超音速微粒轰击( SFPB)形变热处理Ti-6Al-4V合金表面自身纳米化晶粒尺寸演化及纳米化机制.研究结果表明:超音速微粒轰击使Ti-6Al-4V合金表面获得了纳米组织,并发生显著的加工硬化,表面显微硬度比基体硬度提高了1倍多;随着SFPB处理时间的延长,纳米结构层厚度不断增加,晶粒尺寸逐步细化,当SFPB处理30 min后晶粒尺寸趋于稳定,在表层形成了晶粒尺寸约为20 nm具有随机取向的纳米等轴晶.Ti-6Al-4V合金表面自身纳米化是由于位错运动、孪晶的形成及交割共同作用的结果;在多方向载荷的重复作用下,在塑性变形区产生了大量的由位错线和高密度位错缠结分割的位错胞,并在位错寨集处产生应力集中,进而形成孪晶;孪晶自身相互交割和位错的滑移相互协调,形成了细小的孪晶和胞状组织;晶胞组织转变为细小多边形亚晶;当孪晶尺寸细化到亚纳米级时,位错的滑移起主导作用,最终通过位锗的湮灭和重组形成了具有随机取向的等轴状纳米晶粒.     

类金刚石薄膜在锥形纳米压头作用下的断裂分析

硬薄膜往往具有较脆的特性,在过载时易发生脆性断裂.本文研究了硬薄膜/软基体在锥形纳米压头作用下的断裂模式.利用等离子体化学沉积法在聚二醚酮基体上沉积生成类金刚石薄膜.使用纳米压痕法对其进行实验研究,实时记录纳米压头压入样品过程中所受的载荷以及位移.载荷位移曲线中有若干间断点,代表着裂纹的形成和扩展.压痕实验完成后,通过扫描电子显微镜和聚焦离子束观察发现,类金刚石薄膜压痕处出现规则的贯穿厚度的环形裂纹和径向裂纹.最后,利用有限元法分析了硬薄膜/软基体在锥形压头作用下的应力分布,通过cohesive单元模拟环形裂纹的起始和扩展.结果表明:环形裂纹是由薄膜表面较高的径向拉应力引起的,较高的径向拉应力发生于压头和薄膜表面接触区域的外侧;径向裂纹则是由薄膜在界面附近较大的拉应力引起的.并且,各圈环形裂纹的半径基本呈线性递增,这和实验观测基本相符.      

单晶锗微切削温度场建模及实验分析

针对单晶锗微切削热传导问题,采用移动热源法分别建立了在剪切滑移面热源和前刀面摩擦热源作用下单晶锗的微切削温升理论模型,计算了单晶锗三种切削速度下的最高切削温度,同时以同类硬脆性材料单晶硅的切削温度对此模型进行了验证。通过单点金刚石车削实验,利用红外热像仪对单晶锗微切削过程中的温度进行了在线测量。实验测量结果与模型计算结果对比发现,不同切削速度下,单晶锗的最高切削温度变化趋势一致,切削速度越大温度越高,其相对误差在2.56%～6.64%之间;单晶硅的最高切削温度相对误差为3.84%。模型能够对单晶锗及同类硬脆性材料的温度场进行较准确的预测,为研究其热效应提供进一步理论支持。      

The Effect of a Laser Beam on Chip Formation during Machining of Ti6Al4V Alloy

The effect of the laser beam on chip formation when machining Ti6Al4V alloy has been investigated at different cutting speeds and laser powers. The characteristics of the segmented chip produced by laser-assisted machining (LAM) in terms of the tooth depth and tooth spacing were strongly dependent on the cutting speed and laser power. Two types of segmented chip formation processes were observed, one at low and the other at high cutting speeds with a continuous chip occurring between these two types of segmented chips. The critical cutting speed at which the transition from the sharp, segmented chip to the continuous chip occurred increased with laser power. To obtain the continuous chip, plastic deformation at the shear zone to match the deformation strain introduced by the cutting tool is required. This can be achieved by laser heating the material in front of the cutting tool. A physical model is proposed to explain qualitatively the chip segmentation in conventional machining and the continuous chip transition at high cutting speed with the application of a laser beam.     

氧化铈刻蚀金刚石表面形貌表征

为研究氧化铈刻蚀对于金刚石表面形貌的影响，将金刚石单晶与氧化铈粉末以质量比1:5的比例混合，并在N₂气氛下对金刚石进行刻蚀处理。通过对刻蚀后金刚石的表面形貌、表面刻蚀深度、物相组成的表征与分析探究氧化铈粉末刻蚀对于金刚石表面形貌的影响。利用铜基结合剂金刚石试样的抗弯强度评估刻蚀对于金刚石与结合剂之间把持力的影响。结果表明:氧化铈能成功对金刚石单晶表面进行选择性刻蚀。随着温度的升高，金刚石各个晶面的刻蚀深度加深；在相同条件下，氧化铈对金刚石（100）面的刻蚀程度大于金刚石（111）面。当刻蚀温度为900 ℃时，金刚石（111）面刻蚀深度为753.23 nm，（100）面刻蚀深度为1.60 μm。在N₂气氛下，900 ℃氧化铈刻蚀后的金刚石单颗粒抗压强度低于未加氧化铈刻蚀剂刻蚀的金刚石抗压强度，但是高于在空气气氛下未加氧化铈刻蚀剂刻蚀的金刚石以及在空气中直接氧化铈刻蚀的金刚石抗压强度。与未处理金刚石相比，氧化铈刻蚀后的铜基结合剂金刚石试样的抗弯强度有较大提升。     

保温时间对锰氧化物刻蚀金刚石单晶的影响

研究了在不同保温时间下MnO₂对金刚石单晶的表面刻蚀, 通过扫描电子显微镜和拉曼光谱对刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌和刻蚀机理的进行了表征与分析, 并对腐蚀过程中金刚石表现出来的各向异性进行了探讨。结果表明: 当金刚石和MnO₂质量比为1:5时, 金刚石单晶的刻蚀程度随着保温时间的延长而增大; 在相同保温时间下, {111}晶面比{100}晶面刻蚀严重; 金刚石表面腐蚀后的形貌与对应晶面的碳原子排列有关, {100}面倾向于形成四边形的刻蚀坑, 而{111}面则会形成轮廓为三角形的腐蚀坑, 且金刚石单颗粒的抗压强度随刻蚀时间的延长而下降; 刻蚀机理为MnO₂与金刚石表面C原子发生反应, 导致金刚石表面发生刻蚀。     

铜改善高铬钢机械加工性能的机理

添加铜、硫可以明显提高高铬钢的机械加工性能,且铜、硫对高铬钢的机械加工性能的作用类似.通过高分辨透镜(HREM)和扫描电镜(SEM)对含铜高铬钢中的易切削相进行分析.研究发现,含铜高铬钢中的易切削相是大小为10 nm左右的石墨-铜复合相,该相均匀弥散地分布于含铜高铬钢基体中,该相中76.07％的原子是石墨碳,其余则为铜原子.在机械加工时,石墨-铜复合相的固体润滑膜能够附着在刀具的切削刃上,从而避免了含铜高铬钢与切削刃的直接接触,从而减少了切削刃的磨损,改善了高铬钢的切削性能.     

金属薄板滚压冲裁过程数值模拟及模具参数

研究了在没有压下辊的情况下滚压冲裁过程的运动学特性,据此提出了通孔滚压冲裁模具的设计方案.在此基础上,利用ABAQUS有限元软件进行了基于Shear Failure韧性断裂准则和任意拉格朗日一欧拉自适应网格技术的45号钢薄板滚压冲裁过程有限元仿真,分析了主要参数对断面质量的影响.仿真结果表明:方形孔滚压冲裁时,前后刃口依次经历板带弯曲、凸模压入、裂纹产生和发展、断裂和凸模拔出五个阶段;滚压冲裁断面的主要质量缺陷包括断面垂直度、毛刺、塌角、压痕等;影响滚压冲裁断面质量的主要因素包括侧隙、凸模高度、辊子半径等.减小标称侧隙和凸模高度、增大辊子半径均会使断面质量提高,其中又以对断面垂直度和毛刺高度的影响更为明显.对于45号钢一类的碳钢,后刃口标称侧隙以板厚的5%-10%为宜,前刃口标称侧隙可以更小:辊子半径应以大于板厚的100-150倍为宜;在保证板材完全断裂的前提下,应使凸模高度尽量减小.      

硅芯加工刀具冷却方式的改进

多晶硅材料是光伏行业中一种重要的原材料,随着光伏行业的兴起,金刚石刀具在硅棒切割中已得到广泛的应用,试验介绍了加工硅棒中的刀具冷却方式不同造成刀具的损坏以及产品断裂的原因,通过优化冷却方式及进行刀具的改进,进而解决刀具在加工过程中的损坏及产品断裂问题。     

多晶硅锭的制备及其形貌组织的研究

研究了采用定向凝固法制备多晶硅锭的凝固速率与表面形貌、晶粒尺寸以及显微组织缺陷的关系。找出了晶锭不出现细晶的临界生长速度 ,并对固液界面形状进行了探讨。多晶硅锭的制备工艺主要包括定向凝固法及浇铸法。采用定向凝固法制备多晶硅锭 ,通过改变降埚速率控制晶体生长速度 ,进而找出晶粒大小与降埚速率的关系 ;同时通过改变石英坩埚、石墨托厚度 ,冷源半径等几何参数来达到控制固 液界面形状的目的。     

La2O3刻蚀对金刚石单晶性能的影响

以氮气为保护气氛,在820～980℃下用La₂O₃刻蚀人造金刚石单晶表面,研究稀土氧化物La₂O₃刻蚀对人造金刚石单晶性能的影响。利用扫描电子显微镜观测刻蚀后金刚石单晶不同晶面的表面形貌,通过人造金刚石单晶表面粗糙度、单颗粒抗压强度、抗冲击韧性和铜基结合剂金刚石节块抗弯强度来表征刻蚀前后金刚石单晶性能的变化。结果表明：La₂O₃对金刚石{100}面和{111}面的刻蚀是各向异性的;当刻蚀温度从820℃升高到980℃时,{100}面表面粗糙度从0.40μm增加至2.28μm,{111}面表面粗糙度从0.70μm增加到3.32μm,金刚石单颗粒的抗压强度由未刻蚀金刚石的576 N降低到最小530 N,冲击韧性由92.94%下降到89.21%。当金刚石体积分数为5%时,刻蚀后金刚石节块的抗弯强度增幅达到17.9%。     

硬脆材料加工技术的研究

对硬脆材料的各种用途和加工现状进行了综述,根据硬脆材料抗拉强度低的特点,建立了切削模型。介绍了切削、磨削等主要的几种加工方法的原理、适用范围及最新研究成果,硬脆材料切削和磨削的机理和实验对比,并对特种加工做了简单介绍。