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晶体材料纳米级切削机理及拉曼光谱表面表征

作　者: 徐飞飞
导　师: 房丰洲
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米切削机理尺寸效应单晶硅拉曼光谱表面损伤相变位错
分类号: TG506
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

充分理解材料在纳米量级下的去除机理，有助于找到脆性材料切削过程中脆塑转变的原因，借此提高脆性材料的加工性能，抑制刀具磨损，提高加工效率，降低加工成本，最终提高加工表面质量和加工精度。本文的主要研究内容及成果如下：(1)分析了切削过程中刀具负前角对剪切面的影响，得出了临界负前角与摩擦系数之间的关系。根据能量最小原理研究了刀具刃口对材料塑性变形的影响，计算出了材料在刀具刃口处的分流点（即滞流点）与摩擦系数之间的关系；(2)从能量耗散角度结合材料尺寸效应研究了切削过程中的尺寸效应。随着切削深度的减小，需要较大的外加应力在材料内部生成位错或相变，以保证材料持续的塑性变形。较大外加应力增加了刀具刃口处的摩擦与磨损，大量的外界做功转化为切削热，提高了切削温度，在材料被软化的同时也加剧了刀具的磨损；(3)讨论了脆性材料斜切与车削过程中的一些基本理论。对单晶硅，砷化镓材料进行了超精密切削实验。利用显微拉曼光谱仪测量了加工表面的损伤。结果表明单晶硅的损伤层由非晶层和残余应力层构成。非晶层的厚度随着切削深度的增大而接近线性增加。残余应力层随切削深度的增大而增加，且切削厚度较大时残余应力变得不均匀，使得单晶峰退简并分裂为两个或是三个峰。车削表面塑性去除区域对应的切削厚度较小，测量到的表面非晶层厚度小于5纳米，表层有轻微残余压应力的存在；(4)利用便携式拉曼光谱测量单晶硅在切削过程中的相变情况，发现单晶硅向非晶硅的相变主导了切削过程中单晶硅的塑性变形，抑制了单晶硅的脆裂。较高的切削速度提高了切削温度，由于非晶硅具有较好的热塑性，使得单晶硅的脆塑转变厚度增大。非晶硅具有两种原子环境，一种为类固体原子，另一种为类流体原子。类流体原子是非晶硅塑性变形的载体，其塑性变形过程将体现部分流体特性，切削过程中材料的去除过程将以推挤方式进行。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 切削过程理论研究现状  9-11
  1.3 切削过程实验研究现状  11-13
    1.3.1 切削力测量方法  11-12
    1.3.2 刀具的磨损、抑制及其测量方法  12-13
    1.3.3 材料表面检测方法  13
  1.4 课题来源及主要研究内容  13-15
    1.4.1 课题来源  13
    1.4.2 主要研究内容  13-15
第二章材料的切削机理及尺寸效应研究  15-45
  2.1 切削模型  15-28
    2.1.1 锋锐刀具切削模型  15-21
    2.1.2 刀具刃口切削模型  21-28
  2.2 切削过程中的尺寸效应  28-44
    2.2.1 材料的尺寸效应  28-31
    2.2.2 刀具刃口的影响  31-32
    2.2.3 材料去除能量的构成  32-33
    2.2.4 材料分离所需的能量  33-35
    2.2.5 材料相变无序化  35-36
    2.2.6 位错残留无序化  36-38
    2.2.7 切削热  38-43
    2.2.8 尺寸效应总结  43-44
  2.3 本章总结  44-45
第三章晶体材料的超精密加工及其表面拉曼光谱表征  45-61
  3.1 超精密斜切实验  45-46
  3.2 单晶硅的斜切实验  46-53
    3.2.1 单晶硅的拉曼光谱表征  49-53
  3.3 砷化镓的斜切实验  53-55
    3.3.1 砷化镓的拉曼光谱表征  53-55
  3.4 超精密车削  55-57
  3.5 单晶硅的车削实验及其拉曼光谱表征  57-59
  3.6 本章总结  59-61
第四章拉曼光谱对车削过程的在线测量  61-69
  4.1 拉曼在线测量实验装置  61-62
  4.2 在线测量实验结果  62-65
  4.3 拉曼光谱在线测量系统的改进  65-67
  4.4 材料纳米量级切削机理  67-68
  4.5 本章总结  68-69
第五章总结与展望  69-71
  5.1 本文总结  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-80
发表论文和参加科研情况说明  80-81
致谢  81

晶体材料纳米级切削机理及拉曼光谱表面表征

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