【期刊】纳米刻划诱导MgF₂单晶损伤演变和去除行为的各向异性依赖性

作者

李琛、朴银川、张飞虎、张勇、胡玉秀、王勇斐

单位

哈尔滨工业大学

Citation

Li C, Piao Y C, Zhang F H, Zhang Y, Hu Y X, Wang Y F. 2023. Understand anisotropy dependence of damage evolution and material removal during nanoscratch of MgF₂ single crystals. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015101.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9eed

撰稿 | 文章作者

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文章导读

氟化镁单晶具有光学性能优异、极端条件下物理和化学性能稳定等优点，在航空航天、电子通信和光学领域应用广泛。然而，这类晶体具有明显的力学性能各向异性和高脆性，加工过程容易产生脆性损伤，严重影响晶体元件的使用精度和使役寿命。开展这类材料纳米刻划实验研究，通过考虑晶体的各向异性，并基于应力场、滑移变形和解理断裂来揭示这种材料的变形和去除机理，确定最优加工晶向、实现无裂纹损伤的塑性域加工，是降低各向异性脆性晶体加工过程中脆性损伤的重要手段。近期，哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的李琛副教授、朴银川博士生、张飞虎教授、张勇副教授、胡玉秀博士生和王勇斐博士生在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《纳米刻划诱导MgF₂单晶损伤演变和去除行为的各向异性依赖性》的研究型论文，系统地开展了MgF₂单晶在不同晶面和不同晶向上的纳米刻划实验，分析了各向异性对划痕沟槽表面形貌的影响规律，并计算得到了不同刻划方向下材料的塑性变形系数和解理断裂系数。建立了考虑各向异性的纳米刻划诱导的应力场理论模型，并基于该模型分析了裂纹萌生和扩展机制，确定了MgF₂单晶加工过程中易于产生塑性变形的最优加工晶面和晶向，研究成果为实现各向异性脆性晶体的高效、低损伤加工奠定了理论基础。

关键词

各向异性；损伤演变；应力场；裂纹扩展；纳米刻划；MgF₂单晶

亮点

纳米刻划诱导的MgF₂单晶损伤演变和去除行为表现出明显的各向异性依赖性

建立了考虑各向异性的纳米刻划诱导的应力场理论模型

脆性单晶材料的滑动系被激活得越多，越容易发生塑性变形

亚表面解理裂纹扩展到加工表面引起MgF₂单晶的脆性块状崩除

(001)/[100]晶体取向最有利于实现MgF₂单晶的塑性域加工

图1 纳米刻划诱导的MgF₂单晶划痕表面损伤和材料去除行为示意图，以及YOZ截面和XOZ截面归一化应力场分布图，加载过程中拉应力诱导中位裂纹在压头前端萌生并扩展，卸载过程中拉应力引起的横向裂纹在亚表面萌生并扩展，卸载过程中的拉应力可能会导致MgF₂单晶产生解理断裂，诱导表面径向裂纹的萌生。

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研究背景

MgF₂晶体具有光学性能优异、极端条件下物理和化学性能稳定等优点，是制造红外窗口和谐振器的首选材料，在航空航天、电子通信和光学领域应用广泛。然而，MgF₂晶体具有明显的力学性能各向异性和高脆性，加工过程容易产生脆性损伤。目前对MgF₂单晶加工的研究主要集中在微观力学性能表征和加工工艺实验方面，缺少纳米尺度MgF₂单晶材料变形和去除行为的研究，尤其缺少在考虑各向异性的情况下，基于应力场、滑移变形和解理断裂的观点揭示这种材料的变形和去除机理。本研究将系统地开展MgF₂单晶在不同晶面和不同晶向上的纳米刻划实验，分析各向异性对划痕沟槽表面形貌的影响规律，并计算不同刻划方向下材料的塑性变形系数和解理断裂系数。通过考虑力学性能各向异性，建立纳米刻划诱导的应力场理论模型，确定MgF₂单晶加工过程中易于产生塑性变形的最优加工晶面和晶向，研究成果进一步深入地揭示了各向异性对MgF₂晶体加工过程中损伤演变和去除机理的影响规律，为实现各向异性脆性晶体的高效低损伤加工奠定了理论基础。

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研究结果分析与讨论

系统地开展了不同晶面和不同方向的MgF₂单晶纳米刻划试验，并分析了不同晶向下的划痕表面形貌。如图2-图4所示，实验结果表明：各向异性对MgF₂单晶加工过程中的损伤演变和材料去除行为有显著影响，加载过程中划痕表面出现了明显的脆塑转变现象。当划痕载荷足够大时，(010)和(110)晶面的划痕表面上发生了解理断裂造成的脆性损伤。在150 mN的最大法向载荷下，(001)晶面的划痕表面没有发现明显的解理断裂导致的块状崩除现象。

图2 (a)和(b)分别表示氟化镁(001)晶面上沿[100]晶向和[110]晶向刻划得到的划痕表面形貌SEM检测结果，图(a1)-(a3)是图(a)的局部放大图，图(b1)-(b3)是图(b)的局部放大图。

图3 (a)和(b)分别表示氟化镁(010)晶面上沿[001]晶向和[100]晶向刻划得到的划痕表面形貌SEM检测结果，图(a1)-(a3)是图(a)的局部放大图，图(b1)-(b3)是图(b)的局部放大图。

图4 (a)和(b)分别表示氟化镁(110)晶面上沿[001]晶向和[1-10]晶向刻划得到的划痕表面形貌SEM检测结果，图(a1)-(a3)是图(a)的局部放大图，图(b1)-(b3)是图(b)的局部放大图。

为了进一步理解MgF₂单晶加工过程中损伤演变和材料去除的各向异性依赖性，建立了考虑各向异性的纳米划痕诱导的应力场理论模型。如图5和图6所示，理论分析结果表明：在加载过程中，由拉应力引起的中位裂纹在压头前端萌生并扩展；在卸载过程中，由拉应力引起的横向裂纹在已加工亚表面萌生并扩展；此外，在卸载过程中，拉应力容易诱导表面径向裂纹的萌生。卸载过程中应力的变化会导致横向裂纹的扩展方向发生偏转，横向裂纹扩展到工件表面会导致晶体材料的块状崩除现象。

图5 (010)晶面/[100]晶向划痕在脆性断裂发生时XOZ平面归一化应力场分布(a)σx应力，(b) σy应力和(c) σz应力。

图6 (010)晶面/[100]晶向划痕在脆性断裂发生时x/d=-0.5的YOZ截面归一化应力场分布(a)σx应力，(b) σy应力和(c) σz应力。

如图7-图9所示，计算了不同划痕条件下的塑性变形系数和解理断裂参数，实验和理论结果表明：在相同的加工条件下，被激活的滑移系越多，越容易发生塑性变形；解理断裂系数越大，越容易发生脆性解理断裂。在相同的加工条件下，(001)晶面/[100]晶向的划痕激活了大多数的滑移系，并具有最小的解理断裂系数，因此该晶向最有利于实现MgF₂单晶的塑性加工。然而，(110)晶面/[1-10]晶向的划痕没有激活任何滑移系统，并且具有最大的解理断裂参数，因此(110)晶面/[1-10]晶向发生了最严重的脆性断裂。

图7 (a) (001)晶面塑性变形系数的计算结果，(b) (001)晶面解理断裂系数的计算结果，(c)和(d)分别是沿[100]和[110]晶向刻划过程刻划方向与解理面之间的关系。

图8 (a) (010)晶面塑性变形系数的计算结果，(b) (010)晶面解理断裂系数的计算结果，(c)和(d)分别是沿[001]和[100]晶向刻划过程刻划方向与解理面之间的关系。

图9 (a) (110)晶面塑性变形系数的计算结果，(b) (110)晶面解理断裂系数的计算结果，(c)和(d)分别是沿[001]和[1-10]晶向刻划过程刻划方向与解理面之间的关系。

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结论

纳米刻划诱导的MgF₂单晶损伤演变和去除行为表现出明显的各向异性依赖性。应力场理论模型表明：在加载过程中，由拉应力引起的中位裂纹在压头前端萌生并扩展；在卸载过程中，由拉应力引起的横向裂纹在亚表面萌生并扩展，卸载过程中的拉应力也会诱导表面径向裂纹萌生。塑性变形系数和解理断裂系数理论分析结果表明：脆性单晶材料的滑动系被激活得越多，越容易发生塑性变形；裂纹沿激活的解理面扩展，亚表面解理裂纹扩展到加工表面引起MgF₂单晶的脆性块状崩除。在相同的加工条件下，(001)/[100]晶体取向激活了大多数滑移系统、并且具有最小的解理断裂系数，因此最有利于实现MgF₂单晶的塑性域加工。

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作者简介

李琛

博士，副教授

李琛博士是哈尔滨工业大学拔尖副教授、博士生导师、航空宇航制造工程系教学主任、机器人技术与系统国家重点实验室固定人员，是中国科协青年人才托举工程项目入选者、上银优秀机械博士论文奖获得者、哈工大青年拔尖人才选聘计划入选者、哈工大优秀博士学位论文奖获得者。研究方向为航空航天材料超精密加工与复合能场制造技术，主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划课题子课题、国家自然科学基金重点项目子课题、中国博士后特别资助等10余项科研项目；发表学术论文60余篇，第一或通讯作者在International Journal of Machine Tools & Manufacture等杂志发表SCI论文30余篇（ESI高被引论文4篇、ESI热点论文3篇，一区或TOP期刊20余篇），被国内外学者引用1000余次，单篇最高被引160余次，H因子为18；授权/受理发明专利10余项。受邀担任中国机械工程学会生产工程分会(磨粒技术领域)委员、极端制造分会委员、黑龙江省仪器仪表专业标准化技术委员会委员、SCI期刊Crystals和Frontiers in Materials客座编辑、《表面技术》和《金刚石与磨料磨具工程》等多个学术期刊（青年）编委以及20余家SCI期刊审稿专家。

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