硬脆材料
關注創建者：老司機1 創建時間：2019-10-19
硬脆材料的實例教程
30angle 裂紋云圖
30angle 沿深度方向的裂紋分布云圖
調試許久的金剛石磨粒磨削硬脆材料引起的裂紋延伸擴展云圖終于有了一定的進展，紀念一下。2021-12-7.
金剛石磨粒壓入硬脆材料的微秒間，硬脆材料表面的材料飛濺情況
模型分享001——線鋸往復磨削脆性材料 ￥9.9
硬脆材料具有高強度、高硬度、隔熱性好和化學穩定性好等優點,同時也耐高溫和腐蝕,因此它的應用越來越廣泛,對脆性材料的晶片表面質量要求也越來越高。但由于脆性高、塑性和斷裂韌性低等原因,導致脆性材料的加工非常困難。金剛石線鋸切割是一種新興的、能有效切割硬脆材料的加工方法,其具有較低的成本、鋸口損耗與環境污染,同時可以獲得更窄的切縫,因此已經成為發展最快、被使用最多的一種硬脆材料切割方法。在金剛石線鋸切割加工中,影響脆性材料晶片表面質量的因素很多,如線鋸速度、工件的進給即線鋸的張力等。
仿真中以固結金剛石磨粒線鋸的往復式切割過程為背景,分析晶片表面應力分布情況以及形貌的生成效果。
文件介紹：CAE文件里面一共四個Model，點擊Job里面的任務就可以進行計算，模型里面既有單方向運動也有往復運動，具體是哪種運動可以有分析步得知；
幾何模型及網格：
材料屬性：
分析步：
邊界位移
仿真結果：
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展開 眾所周知，針對硬脆材料的模擬通常采用JHC或JH-2本構模型模擬，玻璃類材質、混凝土等是這類硬脆材料的典型代表。相同的是，無論JHC還是JH2本構模型都內置有材料的累積損傷模型用以準確描述硬脆材料在收到破壞時的內部單元失效變化，反映在宏觀上即產生裂紋、斷裂、損傷等。研究上述諸如裂紋等材料大變形問題對于深入認知本構模型的作用機理就顯得尤為必要。
LSDYNA作為專門針對材料非線性、大變形問題而開發的大型顯示動力學仿真軟件，其擁有相當齊全的材料庫，針對其中材料的本構關系都有非常明確的軟件設置與輸出步驟，方便用戶對本構的快速設置甚至二次開發。本帖以典型的材料大變形問題磨粒切削加工引起的加工損傷為案例講解損傷歷史變量的定義與輸出步驟。
在我們沒有更好的文獻參考時，官方仿真軟件的幫助文檔是一個最佳的選擇。以下提供在LSDYNA中具體查閱歷史變量定義的鏈接如下，
History Variables for Certain Material Models — Welcome to the LS-DYNA support site.
基于此，必須首先定義目標歷史變量如圖1所示。具體通過，在關鍵字 *DATABASE_EXTENT_BINARY中定義NEIPH 或 NEIPS 實現。這里NEIPH 或 NEIPS 只能填入具體的數字加以定義材料具體哪些的歷史變量。
圖1
具體以此為例：為輸出磨粒切削加工引起的工件損傷，首先找到對應的工件材料編號110（工件為K9玻璃，采用JH-2本構），可知損傷因定義為2如圖1所示，故在NEIPH輸入數字2即可，若為了查看其他材料歷史變量，對應輸出1-4即可實現。
展開 硬脆材料光學元件常規切削加工非常困難，通常通過超精密研磨、拋光及超精密磨削加工獲得，但該方式加工時間長，加工成本較高，需尋求一種若干能量場融合的先進復合加工工藝來解決這一加工難題。超聲加工作為20世紀初發展并開始應用于工業領域的一種非常有效的特種加工方法，可減小切削力和切削溫度，減小刀具磨損，提高加工質量，拓展可加工材料范圍，是硬脆性先進材料加工的有效方法之一，特別適合加工玻璃、陶瓷、石英、金剛石以及硅等各種硬脆材料。旋轉超聲加工是目前超聲輔助加工領域的關鍵工藝，是硬脆材料加工的有效方法之一。 復雜型面在現代產品中的設計應用及加工要求日趨增多，對復雜零部件的加工能力提出了更高的要求。目前，關于光學硬脆材料復雜幾何特征超聲輔助銑削工藝研究比較缺乏。
寧波材料所所屬先進制造技術研究所激光與智能能量場制造團隊在旋轉超聲加工領域進行了一定的積累并取得新的進展，針對K9光學玻璃材料，加工了各類型腔、表面、孔、薄壁以及復雜曲面等特征。
圖1.三軸旋轉超聲銑削加工孔/凸臺/型腔等特征
課題組成員自行搭建了三軸聯動超聲輔助加工系統，超聲振動頻率可達19000Hz以上。在該自主搭建的超聲輔助加工系統上進行的部分孔、凸臺、型腔等特征加工試驗（圖1），發現：使用合理的工藝參數，采用空間螺旋插補進刀及超聲輔助三坐標聯動空間螺旋銑削K9光學玻璃產生的孔特征邊緣無崩邊，孔壁及孔底質量均比較理想；帶超聲或無超聲加工相同特征效果會有差別，如無超聲輔助三角形型腔銑削后，加工底面會有較明顯的刀痕：不同工藝參數對加工效果影響顯著，如采用較大的切削深度時，銑削的方形或圓形型腔外邊特征會出現崩邊等缺陷特征；而采用合適的切削深度和走刀策略會產生理想的加工特征，如右側的曲面側壁型腔。
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20 世紀 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金剛石微粉的內圓鋸進行切割。由于內圓鋸切割的切縫大、材料損耗多，且對高硬脆材料的切割尺寸有限制，從 20 世紀 90 年代中期開始，切縫窄、切割厚度均勻且翹曲度較低的線鋸切割方式逐步發展起來。線鋸切割以鋼線做刃具，主要分為游離磨料（砂漿線切割）和固結磨料切割（金剛石線鋸切割技術）兩類。
因此，極端條件下的激光制造技術，包括金剛石、石英、碳化硅等硬脆材料零件的制造，高熔點、高硬度金屬材料零件的制造，微小結構尺寸零件的制造，以及其它更多特殊領域可以用“光”進行制造的復合技術。激光極端制造工藝技術與智能化技術的結合，將輻射到更廣泛的領域，服務各個產業，解決一系列棘手的工程問題。
真空環境限制了零件制造空間，設備成本高，故更適合裂紋傾向較高的鈦、鋁等硬脆金屬材料的快速加工
。
3.2 定向能量沉積增材制造技術
定向能量沉積技術選用金屬粉末/絲材為原材料，依據三維模型分層切片與輪廓提取規劃沉積路徑，使用高能束（激光、電子束、電弧）為熱源，逐層熔化與沉積，實現零件快速制造。
氮化鋁基板導熱率較高，具有優良的絕緣性，DBC和AMB兩種工藝均有采用，氮化鋁基板的導熱性能好，且與第3代大功率半導體材料有很好的匹配性，但是氮化鋁基板機械性能和抗熱震性能差，不僅影響半導體器件可靠性，而且氮化鋁基板屬于高強度的硬脆材料，在復雜服役環境下，容易損壞，使用成本較高。
▲氮化硅陶瓷基板、氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板三種材料性能對比
氮化硅陶瓷基板優劣勢。
眾所周知，針對硬脆材料的模擬通常采用JHC或JH-2本構模型模擬，玻璃類材質、混凝土等是這類硬脆材料的典型代表。相同的是，無論JHC還是JH2本構模型都內置有材料的累積損傷模型用以準確描述硬脆材料在收到破壞時的內部單元失效變化，反映在宏觀上即產生裂紋、斷裂、損傷等。研究上述諸如裂紋等材料大變形問題對于深入認知本構模型的作用機理就顯得尤為必要。
諸如加工合金類通常出現的卷尺狀切屑與加工鑄鐵等硬脆材料出現的團簇狀磨屑等。下圖給出金剛石工具加工藍寶石的磨屑狀態云圖。
具體方法是通過將SPH粒子顯示成Smooth狀態，調整顆粒大小合適（因模型而定），之后后處理中顯示應力云圖，將云圖播放至加工完成狀態，通過第三方軟件或者LSdyna自帶功能導出云圖，最后可以根據需要標上比例尺。
（4）圓邊
剛切好的硅片其邊緣皆為銳利的直角，由于其硬而脆的材料特性，直角容易碎裂，且在后續制程中易產生熱應力、破裂、崩邊等其他質量缺陷，除了影響硅片強度，也會成為整個制程中污染微粒的來源。圓邊就是對硅片邊緣進行倒角加工的過程，也稱倒角。圓邊后的硅片具有光滑的邊緣和較低的中心應力，可以有效地改善和提高硅片整體的機械強度和可加工性。
1原由
我們知道，不管是利用ABAQUS或是ANSYS軟件進行建模分析來說，在仿真分析過程中，我們經常會遇到需要多次對模型進行修改的過程，筆者在一個做金剛石磨粒切削硬脆材料的案例中發現，為了研究在不同磨粒切深下的工件損傷情況，需要大量重復設置磨粒的切深，這樣的重復操作大約需要30多組。
諸多研究表明，在一定的工藝條件下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削更適于硬脆材料的薄化加工。在線電解修整輔助磨削對 4 H-SiC 進行薄化加工原理如圖 3( b) 所示。電解作用下，砂輪表面生成絕緣氧化膜，可以減緩砂輪的損耗，同時承托大量電解脫落的磨粒，與游離磨粒的研磨作用類似，有利于提高磨削表面質量。
研磨工藝可分為單面和雙面研磨，小尺寸碳化硅晶片單雙面研磨技術相繼被開發。
如果硬脆材料劃切選擇越硬刃具，就會在劃切時出現一些背崩，背裂現象。根據崩邊要求和材料性質選取刀體粘結、材料軟硬度、集中度，金剛砂顆粒大小等。
