单晶硅脆性微裂纹的透射电镜观察

Rice和Thomson[1]认为,如裂纹发射位错比解理扩展更困难,则裂纹解理扩展从而脆断。否则裂纹就钝化而韧断,故他们认为脆性裂纹扩展前不发射位错。实验工作已证明[2,3]通过位错塞积模型可以形成脆性(解理)裂纹核,并研究了裂纹发射位错以及裂纹解理扩展的竞争过程。而有关室温下单晶硅的裂纹形核和位错组态则报道较少,由于其性能各向异性、缺陷少,容易避免或减少其他微观缺陷对研究的影响。本实验用显微压痕法可以诱发微裂纹产生,并使材料局部形变和断裂。实验用单晶硅尺寸为5mm×4mm×1mm,依次打磨、抛光、清洗后用HD-1000型维氏显微硬度计…     

硒化锌晶体超精密切削材料去除机理研究

硒化锌晶体在红外成像与激光系统中有着广泛的应用,作为典型软脆性材料,其材料去除机理目前尚不清晰,获得超光滑表面仍极具挑战。文中采用槽切法研究刀具负前角对硒化锌晶体脆塑转变临界深度的影响。通过分析最大未变形切削厚度随切削参数变化规律,提出实现硒化锌晶体塑性域切削的理论模型。借助场发射扫描电子显微镜、白光干涉仪和拉曼光谱仪,系统分析了进给率对工件表面粗糙度、表面完整性及亚表面损伤的影响,提出表面缺陷形成机理,进而揭示硒化锌晶体材料去除机理。     

硒化锌晶体平面超精密复合加工

硒化锌晶体作为常用的红外晶体材料,广泛应用于红外光学系统中。为了提高大口径硒化锌晶体平面光学元件的加工质量和效率,提出了将超精密飞刀车削加工与传统数控抛光技术相结合的加工方法,首先进行超精密飞刀车削加工,获取到较好的形状精度和表面质量,然后针对飞刀车削后表面痕迹进行传统数控抛光加工,进一步提高光学元件的形状精度和粗糙度。经过实验验证,该方法有效提高了硒化锌平面晶体的加工效率并改善了加工后的表面质量,对硒化锌晶体的超精密加工方式具有重要的参考价值。     

TiNi合金/不锈钢激光焊接头裂纹的形成和控制

采用低功率脉冲激光对0.2 mm厚的TiNi形状记忆合金/不锈钢异种材料进行焊接,对焊接接头的裂纹形态和元素分布进行了研究,分析裂纹的形成原因,提出裂纹控制的措施。结果表明,TiNi合金/不锈钢异种材料直接对接焊裂纹敏感性很大,仅通过调整激光焊接工艺参数无法避免裂纹的产生。裂纹产生的主要原因是不锈钢母材中的Fe元素大量进入焊缝,与Ti元素形成脆性金属间化合物导致焊缝变脆,在焊接应力作用下开裂。通过在TiNi合金与不锈钢之间预置纯Ni丝作为填充材料可以稀释焊缝中Fe和Ti元素的含量,对形成裂纹的脆性组织进行阻隔,避免裂纹的产生,焊接接头的平均抗拉强度达到580 MPa。     

钛合金超精密切削过程的数值模拟与实验分析

以钛合金材料TC源的超精密切削加工机理为研究目的,采用有限元技术与实验验证相结合的方法,建立了钛合金材料超精密切削过程的正交切削有限元模型,深入介绍了有限元建模过程中有限元模型的建立、材料应力应变关系等关键技术。采用建立的有限元模型对钛合金的加工过程进行了正交切削有限元模拟。通过模拟获得了切屑形成过程、切削力曲线以及温度分布等结果。应用单点金刚石车床进行了钛合金TC4 的超精密车削实验, 研究结果显示数值模拟结果与实验结果比较吻合。数值模拟方法的有效性也得到了验证,可以进一步用来研究钛合金材料的切削过程。     

铝钢异种材料激光搭接焊接头组织与性能研究

采用连续光纤激光对铝/钢异种材料进行激光搭接深熔焊，研究接头的显微组织、元素分布、界面析出相及其失效机理。结果表明，焊缝凝固过程中界面处形成岛状、块状及层状Fe-Al化合物，它们较大的硬度与脆性导致材料自身具有较低的塑韧性。焊缝中裂纹的形成原因主要是界面脆性Fe-Al化合物的连续或集中分布，降低了材料自身的变形能力。接头的断裂模式属于脆性断裂，接头的失效主要是由于界面处Fe-Al脆性化合物导致的。     

X射线反射镜NiP芯模超精密车削技术研究

以聚焦型X射线反射镜的镍磷合金芯模为研究对象, 研究了单点金刚石超精密车削的切削深度、主轴转速、进给量等工艺参数对表面粗糙度的影响关系。结果表明,进给量对加工表面粗糙度影响相对最大,主轴转速、切削深度的影响呈弱相关关系。开展了NiP合金超精密车削工艺试验,得到切削深度、主轴转速、进给量的优化工艺参数,并初步建立了表面粗糙度预测模型。在此基础上,对Φ110 mm×140 mm的X射线反射镜镍磷合金芯模进行加工验证,获得了PV61.37~83.47 nm、RMS7.952~10.326 nm、Ra6.379~8.332 nm的表面粗糙度,圆度误差0.39 μm、斜率误差均方根值0.42 μm,满足X射线反射镜对芯模超精密车削需求,为后续大规格X射线反射镜超精密制造奠定了技术基础。     

基于泽尼克多项式系数的大相对孔径表面超精密车削误差的补偿方法

超精密车削误差补偿是提高超精密车削工艺水平的关键技术。首先对超精密车削中的各种误差进行了简单的分析与归纳,指出刀具刃口几何形状误差与机床导轨非线性误差具有相同的表现形式,可以通过车削零件的面形检测结果进行综合补偿。然后,提出了一种根据干涉仪检测结果对上述误差进行高精度补偿的方法,并进行了理论推导。最后的实验结果证明:基于面形误差泽尼克多项式球差及高级球差系数(最高到36项系数)对国产刀具刃口(波纹度误差大于0.2μm)与机床(Nanotech UPL250)系统误差进行综合补偿的方法正确而高效,仅3次补偿循环,即可使一大相对口径实验球面件的面形误差收敛到PV=0.24λ,rms=0.021λ,符合理论推导及计算机模拟的分析。     

红外晶体等距恒速单点金刚石车削

单点金刚石车削技术广泛应用于红外脆性晶体材料光学表面的加工。然而,受车削参数、材料特性、刀具参数等多因素的影响,将会导致车削表面质量的不均匀。为了获得更为均匀优质的表面质量,在分析单点金刚石车削影响因素的基础上,提出了等距恒速的车削方法。详细介绍了等距恒速车削的原理,分析了车削参数的确定过程,得到了等距恒速车削的工件转速和进给速度曲线。最后应用一CVD ZnS材料进行了车削试验,获得了该材料车削最佳的线速度,应用此参数进行车削,得到了均匀优质的车削表面,整体表面粗糙度由Ra=6.4 nm降低到了Ra=4.1 nm。     

硬脆性材料在磨削过程中的热瞬态仿真分析

硬脆性材料在磨削过程中的加工质量和效率成为目前制约硬脆性材料应用的主要问题之一,如何在加工工艺环节提高生产效率和加工质量成为亟待解决的问题,制约问题解决的主要原因是加工效率在很大程度上会引起加工质量变差,在提高加工效率的同时保证良好的加工质量极其困难。主要从影响加工质量的因素之一磨削温度入手,以硬脆性材料中的碳化硅、氧化铝为例,利用有限元分析软件对硬脆性材料的磨削过程进行热瞬态分析,分析了在不同的磨削加工参数(砂轮转速、磨削深度和工件速度)即不同加工效率时大口径碳化硅工件和氧化铝工件的最高温度及其变化曲线,并横向对比了氧化铝材料和碳化硅材料在同等磨削加工参数时的磨削热状态。针对性地研究了硬脆性材料在磨削加工过程中的一些特性,为硬脆性材料的加工工艺提供参考。     

保偏光纤断裂形式分析

通过对于光纤断裂机理的分析,确认了目前影响保偏光纤的断裂两种形式,发现了不同于常规“延展性断裂”的“脆性断裂”,通过对于断裂形式的分析及研究,明确了“延展性断裂”与“脆性断裂”的差异,最终通过实验得到了“脆性断裂”产生原因及表现形式,对于保偏光纤应用过程中的机械损伤控制起到了指导作用。     

Brittle to Ductile Fracture Transition in Bulk Pb-Free Solders

The fracture toughness of bulk Sn, Sn-Cu, Sn-Ag, and Sn-Ag-Cu lead-free solders was measured as function of the temperature by means of a pendulum impact test (Charpy test). A ductile to brittle fracture transition was found, i.e., a sharp change in the fracture toughness. No transition was found for the eutectic Sn-Pb. The transition temperature of high purity Sn, Sn-0.5%Cu and Sn-0.5%Cu(Ni) alloys is around -125degC. The Ag-containing solders show a transition at higher temperatures: in the range of -78 to -45degC. The increase of the Ag content shifts the transition temperature towards higher values, which is related to the higher volume fraction of SnAg particles in the solder volume. At fixed volume fraction, smaller particle size shifts the transition temperature towards higher values. Therefore, a careful microstructure control is needed during the solder solidification after reflow in order to decrease the low temperature brittleness hazard.     

压电超声辅助研磨抛光技术研究进展

研磨抛光是机械加工领域中精密光整加工的重要手段。在传统研磨抛光中,特别是对硬脆性材料进行研磨抛光时,存在高硬度、低断裂韧性和化学性质稳定等特点,对其进行研磨抛光时很难获得理想的加工效率和优越的表面质量等问题。压电超声辅助研磨抛光属于振动研磨技术的一种,它将超声振动磨削技术应用于研磨加工,其高频振动能有效减小研磨力,提高加工效率,可充分发挥硬研磨工艺特点。该文结合压电超声辅助研磨抛光特性和研究方法现状,对国内外超声辅助研磨抛光硬脆材料的发展动态进行了综述与展望。     

电迁移致无铅钎料微互连焊点的 脆性蠕变断裂行为

研究了电迁移条件下不同电流密度(0.8~1.27×10⁴A/cm²)和通电时间(0~96 h)对无铅钎料模拟微互连焊点的蠕变断裂行为的影响.研究结果发现,电迁移作用加速了焊点的蠕变断裂过程,随着电迁移通电时间的延长及电流密度的增加,其蠕变应变速率显著增大,而蠕变寿命逐渐缩短;电迁移还导致焊点蠕变断裂机制发生明显变化,在高电流密度或长时间通电的电迁移后,微互连焊点在服役条件下会发生由延性断裂向脆性断裂的转变.     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni/Cu微焊点剪切强度与断口的研究

用直径为200~500μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊球分别在Ni和Cu焊盘上制作焊点,并对焊后和时效200h后的焊点进行剪切测试,并采用SEM观察剪切断口形貌。结果表明,焊后和时效200 h后焊点接头的剪切强度都随焊球尺寸增大而减小。焊后断口处韧窝形状为抛物线型,断裂方式为韧性断裂;随着焊球尺寸的增大,剪切断口处的韧窝数量增多,韧窝的变小变浅。时效200 h后,韧窝变浅,趋于平坦,韧窝数量也明显减少,材料的韧性下降,脆性增加,断裂方式由韧性向脆性发生转变。     

Hierarchical Toughening of Nacre‐Like Composites

Reinforced polymer‐based composites are attractive lightweight materials for aircrafts, automobiles, and turbine blades, but still show strength and fracture toughness lower than traditional metals. An interesting approach to address this issue is to fabricate composites with structural features that absorb part of the elastic energy stored in the material during fracture through extrinsic and intrinsic toughening mechanisms behind and ahead of the crack tip, respectively. Inspired by the nacreous layer of mollusk shells, the fracture behavior of multiscale composites that combine intrinsic toughness from a brick‐and‐mortar structure connected through nanoscale mineral bridges and extrinsic toughness arising from a brittle–ductile laminate architecture at the millimeter scale are fabricated and investigated. Such a hierarchical toughening approach increases the dissipated energy by more than 30‐fold during fracture with minimal loss in stiffness and strength. Using simple energy balance arguments and fracture mechanics concepts, guidelines are established for the design of nacre‐like composites with a remarkable combination of stiffness, strength, and toughness. This demonstrates the possibility to controllably introduce toughening mechanisms at different length scales and to thus fabricate hierarchical composites with high fracture resistance in spite of the brittle nature of their main inorganic constituents.     

扫描顺序对激光熔覆304钢组织和性能的影响

为了研究预置送粉激光熔覆304不锈钢的组织和力学性能,在27SiMn钢表面进行了预置送粉的多层累加激光熔覆实验,并根据激光扫描的先后顺序将所得到的熔覆层材料划分为四个区域。对比分析了四个区域的材料的显微组织,力学性能和拉伸断口形貌。结果表明,激光熔覆304不锈钢的显微组织表现出了定向凝固的特征,晶粒多为柱状晶,后熔覆区域的晶粒相对于先熔覆区域较为粗大。拉伸试验结果表明,后熔覆区域的拉伸性能相对于先熔覆区域较差。拉伸断口形貌表明,激光熔覆304不锈钢试样主要表现为韧性断裂,局部表现为脆性解理断裂,在断口处有夹杂现象,且夹杂现象主要出现在后熔覆区域,通过能谱分析发现夹杂物主要为金属氧化物。     

Ball Impact Reliability of Zn-Sn High-Temperature Solder Joints Bonded with Different Substrates

In this study, the high-speed deformation behavior of solder joints formed with Pb-free Zn-Sn and commercial Pb-Sn alloys bonded on different substrates was investigated by the ball impact test method. Overall, Zn-Sn joints exhibited greater impact strength but inferior impact toughness than Pb-Sn joints. This can be ascribed to the high hardness of Zn-Sn solders resulting in partial or overall interfacial fracture. In contrast, the joints with soft Pb-Sn solders all showed a ductile fracture feature. It is suggested that, for the joints revealing brittle fracture, the impact toughness (impact energy) increased with the plastic ability of interfacial intermetallic compounds, while for those showing a ductile fracture mode, the impact energy deteriorated with a hardened solder matrix resulting from substrate dissolution.     

Effects of aging time, strain rate and solder thickness on interfacial fracture behaviors of Sn-3Cu/Cu single crystal joints

The effects of aging time, strain rate and solder thickness on fracture behaviors of Sn-3Cu/Cu single crystal joints were investigated. Experimental results showed that short aging time (less than 10 days) did not obviously affect the tensile strength and fracture behaviors of the solder joints. However, strain rate and solder thickness played significant roles in the strength and fracture behaviors of the solder joints. It was observed that these joints broke in a ductile manner at low strain rates with a rapid increase in the tensile strength, but displayed a brittle manner at high strain rates with a slow increase in the tensile strength. A model was proposed to explain such ductile-to-brittle transition between solder and intermetallic compounds. In addition, the solder joints broke in a ductile manner and presented a low tensile strength for the joints with thicker solder, but displayed a brittle manner and a higher tensile strength for the joints with thinner solder.     

不同加载速率对SAC/Cu焊点剪切强度的影响

通过对Sn0.3Ag0.7Cu/Cu和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点进行剪切测试结果表明:两种钎料焊点的剪切强度与加载速率有着明显的相关性,即焊点的剪切强度都随着加载速率的增加而增加。当加载速率为0.01 mm/s时,断裂模式为韧脆混合断裂,随着加载速率的增加,两种钎料焊点断口的韧窝数量不断增加,呈现韧性断裂特征,断口以韧窝为主。另外在相同加载速率下,Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点断口的韧窝数量和分布情况都优于Sn0.3Ag0.7Cu/Cu焊点,即其韧性断裂的趋势更加明显,剪切强度更大。