射流速度和冲击角度对材料去除特性的分析

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析,建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上,重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明:对于理想平面,当冲击角度大约为30°时,可得到理想的高斯型面型分布;对于存在瑕疵的工件表面,在小角度冲击时更有利于材料的去除;工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。     

射流抛光中抛光液黏度对材料去除函数的影响

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。     

抛光颗粒尺度均匀性对射流去除特性的影响

基于单喷嘴射流抛光去除机理,研究了抛光颗粒尺度分布理想均匀时,颗粒直径和抛光液质量分数变化对冲击去除分布的影响。在此基础上,考虑到实际加工过程中,抛光粉颗粒不可避免地存在分布不均匀的情况,在非理想不均匀条件下,提出了一种分析颗粒尺度的材料去除特性模型,重点研究了不同颗粒尺度分布范围对材料去除特性的影响。结果表明:在理想状态下,冲击去除随着抛光颗粒直径的增大而减小,随着抛光液质量分数的增大而增大。当颗粒直径随机分布时,材料去除量将出现明显的波动,抛光液质量分数的增大使去除量波动也增加,去除量波动的大小与抛光粉颗粒的平均直径直接相关,且与理想均匀状态下的去除特性相比,颗粒分布不均匀性使得材料的去除量有所增大。     

冲击载荷下K9玻璃的光学特性

K9玻璃常作为冲击载荷下失效波(破坏波)萌生机制和脆性材料动态断裂特性的研究对象,而当作为冲击窗口材料时,由于冲击压力范围限制,其光学特性研究常被忽略。通过平板撞击实验,结合激光多普勒测速系统(DPS:Doppler Pin System,激光波长为1 550nm),获得了冲击波传播过程中不同光学测试界面运动的速度历史。通过分析原始干涉信号和界面速度剖面的时间对应关系,获得了K9玻璃保持冲击透明性及弹性响应的压力范围。研究结果表明,当冲击压力低于8GPa时,K9玻璃能保持良好的光学透明性,其动态折射率随密度的变化呈典型线性关系。     

射流抛光材料去除机理及影响因素分析

 采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型;随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明：去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义。     

无序性对脆性材料冲击破碎的影响

脆性材料受冲击荷载作用产生损伤开裂是一个连续介质离散化的过程.采用连续离散耦合方法模拟了一个脆性圆球以不同初始速度与刚性板的冲击,重点研究了无序性对脆性材料冲击破碎的影响,并对其内在机理进行了分析.本文不考虑材料细观结构的无序性,材料的无序仅体现在细观断裂参数的非均质性.数值实验同样揭示了脆性材料在冲击破坏中存在两种破坏模式,即低速时接触区域的局部损伤和高速时的整体碎裂.研究表明,材料无序性对临界冲击速度、破碎模式、碎片形态影响显著.随着无序度增加,材料的临界速度增大,损伤开裂由少量贯穿性裂纹主导转变为全域性的分叉裂纹.高无序度圆球冲击产生的碎片表面更粗糙,体型更为扁平细长.这与细观断裂的主导机制有关,无序度较高时剪切导致开裂的比重更大,碎片内部损伤裂纹面更多.     

冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析

冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面形和去除量大小有重要的影响。利用计算流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究,分析了冲击角度对冲击射流特性的影响,结合实验研究,基于射流厚度、壁面速度和压力等几个方面分析了冲击角度对材料去除面形的影响,得到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式,其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合。     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

磁流变抛光液的配制及其抛光稳定性

磁流变液是一种分散体系,通过对分散体系稳定性的研究,并结合磁流变抛光的实际需求,确定了磁流变抛光液添加组分,配制出了适合于光学加工的水基磁流变抛光液。所配制的磁流变液初始粘度仅为0.2Pa·s,利用磁流变仪检测所配制磁流变液在剪切率为1s-1,磁场强度为0.35T时,剪切应力达42.5kPa。利用所配制的磁流变抛光液分别对K9玻璃和Si材料进行抛光,经过2h持续抛光,K9玻璃和Si材料去除函数的峰值去除量相对变化率分别为0.15%和0.22%,体积去除量相对变化率分别为1%和0.88%,去除函数的峰值去除率分别达到4.83μm/min和1.376μm/min。结果验证了所配制的抛光液具有极好的稳定性以及较高的去除效率,能够保证抛光材料的快速去除和高效收敛。     

浴法抛光中抛光粉粒径对去除效果影响的试验研究

为了分析抛光粉粒径对材料去除效果的影响,选用不同的平均粒径以及不同比例混合氧化铈抛光粉分别对K9玻璃进行了抛光试验。对抛光后的工件表面粗糙度及去除量进行了定量研究。结果表明,在试验条件相同的情况下,不同平均粒径的抛光粉,粒径越小,抛光后的元件表面粗糙度越好。从使用不同比例的混合抛光粉试验中可以看出,粒度的均匀性是影响工件表面粗糙度的重要因素。结合抛光粉粒度分布图和试验结果可以看出,抛光粉粒子的分布范围越小,以及各粒径大小分布在峰值附近的粒子所占体积百分比越接近,加工后的工件表面粗糙度越小。     

光学元件亚表层裂纹成核临界条件研究

基于压痕实验和连续刚度测量法得到了熔石英材料硬度和弹性模量随压入深度的变化曲线, 系统分析了材料由延性到脆性转变的过程, 确定了熔石英晶体在静态/准静态印压和动态刻划时产生裂纹的临界载荷和临界深度。渐变载荷刻划实验结果表明, 划痕过程诱发的裂纹对法向载荷有很强的依赖性, 载荷较小时材料去除方式为延性域去除。随着法向载荷的增加, 首先产生垂直于试件表面的中位裂纹和平行于试件表面方向扩展的侧向裂纹, 而在试件表面上并没有产生明显的特征。载荷进一步增加后, 侧向裂纹扩展并形成了明亮区域, 最终诱发了沿垂直于或近似垂直于压头运动方向扩展的径向裂纹, 实现了材料的脆性去除。     

Lattice wave emission from moving cracks

Antiplane shear cracks moving in square lattices have been studied in a molecular dynamics simulation. They become unstable when a critical stress intensity at the tip is reached. Within picoseconds they accelerate to steady state velocity, which can be supersonic or not, depending on the interatomic potential. If the surface energy is low, they become supersonic; if the surface energy is high, they reach only subsonic speeds before the crystal reaches the theoretical shear strength. A simple modification of the interatomic potential switches the crystal behaviour from brittle to ductile, substituting dislocations to daughter cracks. The steady state velocities are the same, whether the model crystal is brittle or ductile. The steady state velocity is a function of the applied stress, not the stress intensity.     

A unified theory for brittle and ductile shear mode fracture

A unified theory captures both brittle and ductile fracture. The fracture toughness is proportional to the applied stress squared and the length of the crack. For purely brittle solids, this criterion is equivalent to Griffith's theory. In other cases, it provides a theoretical basis for the Irwin-Orowan formula. For purely ductile solids, the theory makes direct contact with the Bilby-Cottrell-Swinden model. The toughness is highest in ductile materials because the shielding dislocations in the plastic zone provide additional resistance to crack growth. This resistance is the force opposing dislocation motion, and the Peach-Koehler force overcomes it. A dislocation-free zone separates the plastic zone from and the tip of the crack. The dislocation-free zone is finite because molecular forces responsible for the cohesion of the surfaces near the crack tip are not negligible. At the point of crack growth, the length of the dislocation-free zone is constant and the shielding dislocations advance in concert. As in Griffith's theory, the crack is in unstable equilibrium. The theory shows that a dimensionless variable controls the elastoplastic behaviour. A relationship for the size of the dislocation-free zone is derived in terms of the macroscopic and microscopic parameters that govern the fracture.     

脆性断裂统计理论

本文试图用统计方法,将金属脆性断裂的微观过程与宏观过程结合起来,把断裂理论建立于微裂纹发展动力学的统计基础上。脆性断裂实质上是在小的范性变形过程中微裂纹成核长大的非平衡统计过程和单个主裂纹的传播过程。本文导出了描述这种非平衡统计过程的微分积分方程,并从位错机理出发研究了微裂纹动力学,从而解出了微裂纹的分布函数,求出了金属试样的断裂几率,进而导出了延伸率、断裂强度、范性功、裂纹扩展力、断裂韧性、临界裂纹长度、范性-脆性转变温度以及它们的统计偏差与其它有关物理量之间的函数关系。 关键词：     

Effect of scratching speed on deformation of soda–lime–silica glass

The grinding and polishing of a fundamentally brittle material like glass to an utmost precision level for ultra-sophisticated applications ranging from mobile devices to aerospace as well as space shuttle components to biomedical appliances pose a big challenge today. Looking simplistically, the grinding and polishing processes are basically material removal by multiple scratching at a given speed. Unfortunately however, the role of the scratching speed in affecting the material removal mechanism in soda–lime–silica (SLS) glass is yet to be comprehensively understood. Therefore, the present work explores the surface and subsurface deformation mechanisms of SLS glass scratched under a normal load of 5 N at various speeds in the range of 100–1000 μm?s^?1 with a diamond indenter of ～200 μm tip radius. The results show important roles of the time of contact, the tensile stress behind the indenter and the shear stress just beneath the indenter in governing the material removal mechanisms of the SLS glass.     

Plasticity and an inverse brittle-to-ductile transition in strontium titanate

The use of ceramic materials is often restricted by a transition from ductile behavior to brittle fracture with decreasing temperature. For example, strontium titanate ( SrTiO3) is known to be extremely fragile and brittle below 1300 K. It is therefore surprising to find that SrTiO3 single crystals can be deformed in compression below 1050 K again. Extensive plastic deformation up to 7% strain at low yield stresses of the order of only 120 MPa is possible at room temperature. Low temperature plasticity is carried by the same [110] [110] dislocations as the high temperature deformation along the [001] axis. From this we conclude that these dislocations must exist in two different core configurations.     

Diagnose Parameters of Plasma Induced by Femtosecond Laser Pulse in Quartz and Glasses

Electron plasma induced by a focused femtosecond pulse (130 fs, 800 nm) in quartz, fused silica, K9 glass, and Soda Lime glass was investigated by pump-probe technology. Pump and probe shadow imaging and interferometric fringe imaging have been used to determine plasma density, relaxation time, and electron collision time in the conduction band. In these materials, the electron collision time is about several femtoseconds when the electron density is in the 10¹⁹cm⁻³ range. The electron relaxation processes are different: lifetime is about 170 fs in pure quartz and fused silica, and about 100 ps in K9 and Soda Lime glass. The modified electron band by doped ions is regarded to be responsible for the difference of decay time in these materials.     

激光诱导等离子体的气体动力学和燃烧波扩展速度研究

针对激光对熔石英材料产生致燃损伤过程中存在的激光支持燃烧波,考虑激光作用的温度残余、目标形貌的改变、喷溅物质分布、目标表面气流状况的分布等效应,分阶段对激光支持燃烧波的过程进行建模和仿真研究.通过建立二维轴对称气体动力学模型,模拟研究包含逆韧致辐射、热辐射、热传导和对流过程在内的激光能量传输过程.此外,依据激光支持燃烧波在可见光波段具有明显的辐射特征这一特点,利用阴影法测量了激光对熔石英致燃损伤过程中的燃烧波扩展速度,得到了燃烧波演化过程图像.研究结果表明:在平行激光束作用下,燃烧波的传播是稳态的,气体动力学行为比较稳定;在聚焦激光束作用下,燃烧波的传播是非稳态的.模拟结果中得到的激光支持燃烧波扩展速度及气体动力学结构与实验结果和理论推导结果符合得很好,验证了理论模型的正确性.     

杂质诱导熔石英激光的损伤机理

发展了355 nm纳秒激光下亚波长杂质粒子引起熔石英损伤的基本模型。通过Mie散射理论和热传导方程,计算了粒子与熔石英边界处的温度随粒子尺寸的变化关系,并分析了达到临界温度时,不同粒子诱导损伤所需的关键能量密度,讨论了各粒子最易引起熔石英损伤的尺寸。实验采用355 nm纳秒激光脉冲作用熔石英及其HF刻蚀样品,测得两者的损伤概率。研究表明:粒子吸收激光能量,随着粒子半径的增加,其边缘温度先增大后减小,一定尺寸范围内的粒子才会引起熔石英的损伤;关键能量密度所对应的粒子半径为最易引起熔石英损伤的关键粒子半径;经刻蚀后,熔石英样品表面杂质数密度降低,损伤概率降低,损伤阈值提高。     

Thermal expansivity in superionic RbAg4I5

We have measured the length of a RbAg₄I₅ crystal in the temperature range between 130 K and 300 K using a fused silica LVDT dilatometer system. The expansivity is a smooth, nearly linear function of temperature. There is no anomaly such as a kink, discontinuity, or critical behavior at T_c = 209 K where the superionic β to superionic α phase transition occurs.