[发明专利]基于断裂强度的脆性材料亚表面损伤深度快速评估方法

说明书

本发明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，表明本发明方法具有较高的测量精度。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：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：

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。