硬脆的案例
基于FE-SPH耦合的算法采用ANSYS/LSDYNA仿真磨粒磨削硬脆材料的裂紋仿真方法總結 ￥9.99
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
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 【LSDYNA操作小技巧七】LSDYNA中具體材料歷史變量的定義與輸出問題 ￥1.99
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 
盤點那些經典的光學加工技術應用
光學硬脆材料旋轉超聲加工隨著工業技術的發展，硬脆材料在航空航天、汽車、模具、光學以及半導體等領域展現出廣闊的應用前景。光學玻璃常被用來制作偵查衛星照相機鏡頭、隱形雷達探照鏡、高速飛行器窗口、天文望遠鏡的大型反射鏡以及激光發射裝置中的光學透鏡、棱鏡等。 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。
展開 飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展
作為最基本的微光學元件，微透鏡在多個領域都有非常廣泛的潛在應用，然而常見的面向透明硬脆材料微透鏡的制備方法效率低下，且對作業環境的要求較高，極大地限制了透明硬脆材料微透鏡陣列的大面積制備。
近日，清華大學樊華博士后、吉林大學王磊副教授和徐穎教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、核心期刊）發表了題為“飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展”的綜述文章。
本文介紹了利用飛秒激光燒蝕結合濕法刻蝕制備硬脆材料微透鏡陣列的基本方法，并系統地分析了影響所制備微透鏡形貌的關鍵因素。通過在加工過程中對聚焦光斑的數量和位置進行精細調控，極大地提高了透明硬脆材料微透鏡陣列的加工效率，且可以在加工過程中動態地調整飛秒激光燒蝕改性的形貌，從而實現不同尺寸微透鏡陣列的高速制備。
引言
微透鏡陣列對表面質量和形貌要求比較高，因此對制備工藝提出了很嚴格的要求。科研人員提出了許多方法來實現具有高表面質量的微透鏡陣列的高效制備，比如：
針對柔性材料的熱壓印成型方法實現了大面積微透鏡陣列；
利用灰度光刻工藝和轉印方法在柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上實現了微透鏡陣列；
利用光刻和熱回流方式實現了基于聚二甲基硅氧烷材料的微透鏡陣列等。
上述方法可以實現具有較高表面質量的微透鏡陣列，但通常需要使用復雜的工藝和步驟。此外，這些微透鏡基質通常為軟質材料，材料本身的機械抗性和耐酸堿的能力比較差。相對而言，透明硬脆材料例如石英、藍寶石等由于其極高的硬度和極強的化學穩定性，在光學窗口、光學元件等方面的應用更加廣泛。
展開 ANSYS/LSDYNA中的JH-2本構模型參數含義及陶瓷材料的具體參數值
眾所周知，在ANSYS/LSDYNA中JH-2模型適用于模擬大變形材料的力學行為的，用于陶瓷、玻璃、藍寶石等硬脆材料的力學模擬中，JH-2本構模型具有三類參數，分別對應著LSDYNA材料卡片中的三類指標，本構參數眾多，那么對于了解其真實含義至關重要，對此，筆者在查閱文獻基礎下總結了各個參數的準確含義并對其背后的數學公式的前后推導順序做出了總結，如圖1所示。
圖1
文獻中給出了比較權威的關于氧化鋁陶瓷的jh-2本構全部參數，可以對大家對于硬脆陶瓷材料的參數選擇調試提供很大的參考意義，三類陶瓷材料的本構參數如圖2所示。
圖2
日本高鳥研發出新型碳化硅功率半導體方向的切割設備，可用于10吋晶圓
單晶生長后，將生長出的晶體切成片狀，由于碳化硅的莫氏硬度為9.2，僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時久，易裂片。實現切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質量SiC晶片是目前面臨的重要技術難點。
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。
目前，碳化硅晶棒的切割技術有：金剛石線切割（固結磨料線鋸切割）、砂漿線切割（游離磨料線鋸切割）、激光切割。線鋸切割技術成熟，是主流切割技術。
高鳥家為砂漿線切割工藝，此次研發的多線切割設備（Multi Wire Saw）可以從直徑為10吋的硅棒（Ingot）上同時切割出多片晶圓。據悉，高鳥已經獲得了部分海外客戶的大額訂單。
“我們此次研發的新款設備具備可擴展功能，可滿足客戶更多需求，如零部件的自動更換等”（高鳥松田武晴社長），以此提升客戶工廠的“少人化”效率、減少產生人為操作失誤。
此外，高鳥還研發了一款名為“GLAPPING-SiC”的集研磨、拋光于一體綜合型設備。該設備采用高強度框架結構，占用空間小、且可支持8吋晶圓，同時可自動更換磨石輪（Wheel）等零部件。高鳥計劃2023年12月開始銷售該設備，目標是到2026年累計銷售200臺。
高鳥總部工廠位于日本奈良縣橿原市
展開 《Acta Mater》：多組分熵合金在高頻動態加載下的獨特變形機制！
與常規加載相比，高頻超聲加載下Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金的微觀組織出現截然不同的演化規律，研究發現Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金由塑性較好的FCC α-Al相和硬脆的Al2Cu、MgZn2等金屬間化合物相（IMCs）組成，如圖2所示，因此，在加載變形過程中，塑性應變主要由FCC相容納，而IMCs相則會起到一定的強化作用。在高頻超聲動態加載下FCC相的晶粒發生顯著細化，同時，硬脆IMCs相也出現了顯著的細化彌散現象，平均尺寸由15 μm減小至6 μm，而常規加載沒有此演化規律。此外，高頻動態加載下的這種應力效應也使Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金變形織構顯著弱化，而常規加載由于是單軸連續加載，會在變形區域形成顯著的Goss{110}<001>織構。
圖2 不同樣品的微觀組織結構分析：a 原始樣品和壓縮樣品的X射線衍射（XRD）圖，b FCC和IMCs相的透射電鏡（TEM）圖，c 不同相的選區電子衍射（SAED）圖，d 不同相的能譜（EDS）圖，e、f、g 原始樣品、常規加載（CC）和超聲加載（UC）樣品的電子背散射衍射反極圖，h、i、j 不同加載條件下樣品的相圖，k、l、m 不同加載條件下樣品變形區域的極圖。
Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金超聲加載變形區域的TEM觀測也發現了FCC相的亞晶，以及高密度位錯和寬度約為120 nm的剪切帶，如圖3所示，說明FCC相產生了較大的塑性變形，而較為硬脆的IMCs相則出現了微裂紋，并產生顯著細化。
展開 基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
理由：磨粒為金剛石材質，為自然界最硬的物質，其硬度、強度遠遠大于單晶碳化硅。
2.3模型幾何尺寸
刻劃實驗中采用圓錐角為120°，圓錐倒角半徑0.2mm的金剛石壓頭，故仿真中設置磨粒特征尺寸與之相同。工件尺寸與磨粒特征尺寸配合到同一尺度下即可，均為mm級，設為2×1×0.3mm3。
長方體工件（長×寬×高）：2.0mm×1.0mm×0.3mm
圓錐磨粒尺寸：圓錐角120°，圓錐倒角半徑R=0.2mm
3.仿真方法
3.1仿真算法選擇
FEM-SPH（Finite Element Method-Smoothed Particle Hydrodynamics）耦合算法，即有限元-光滑質點流體動力學耦合的方法。
本文所用的加工材料單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，對于硬脆材料的研磨加工仿真，單純用有限元法（FE）來模擬往往會因為網格畸變而導致計算精度低甚至計算強行終止的情況。這是因為在磨屑的形成過程中，材料的去除會經歷彈性變形階段、彈塑性轉變階段、塑性變形階段、塑脆性轉變階段及脆性斷裂，且這一過程中工件材料會產生大量的不連續裂紋。因此，網格劃分的精度及材料失效判據的參數選取直接影響了模型計算的精度與效率，而采用SPH方法則避免了上述問題[4]。
SPH方法是一種純Lagrange方法，其基本思想是:將連續的流體（或固體）用相互作用的質點組來描述，各個物質點上承載各種物理量，包括質量、速度等，通過求解質點組的動力學方程并跟蹤每個質點的運動軌道，求得整個系統的力學行為。SPH用質點代替了網格，因此不會出現網格大變形問題，同時采用SPH方法進行建模不受尺度的限制，對于微納尺度的動態仿真（本文工件模型尺寸為μm級）結果仍然具有較高可信度。但FE方法在計算效率上相比SPH方法仍然具有極大的優勢，因此本文采用FEM-SPH耦合方法建立單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型。
展開 上海交大增材制造頂刊：增材制造制備400MPa級高強度鎂稀土合金
打印態GWZ1031K合金由灰色的細小ɑ-Mg晶粒（平均晶粒尺寸為4.1 ± 0.5 μm）和晶界上的白亮網狀β-(Mg,Zn)3(Gd,Y)共晶相組成，硬脆共晶相的面積分數為7.78 ± 0.15%，因此有必要進行后續熱處理來固溶硬脆共晶相改善塑性和析出納米級的時效相提升強度。打印態的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為310 ± 8 MPa，347 ± 6 MPa和4.1 ± 0.8%。
圖3 450℃下固溶不同時間的BSE-SEM照片(a)1 h; (b)4 h; (c)8 h; (d)12 h; (e) 24 h; (f) 36 h
傳統重力鑄造GWZ1031K合金的固溶溫度是500℃，而打印態GWZ1031K合金在450℃下即可實現硬脆共晶相到晶界X相和晶內層片狀LPSO結構的轉變。
圖4 打印態和450℃下固溶不同時間的工程應力應變曲線和室溫拉伸性能
450℃固溶處理后屈服強度下降但是延伸率顯著提升，這是因為共晶相的硬度和楊氏模量都高于LPSO結構可以提高更顯著的強化效應，但是共晶相特別硬脆，顯著惡化塑性。隨著固溶時間的延長，晶粒發生長大導致屈服強度進一步下降。
展開 
國內碳化硅產業鏈！
1、硬脆材料的研磨機理
對硬脆材料進行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時，隨著研磨加工的進行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達到表面去除的目的。
因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小，對磨粒施加載荷時，會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。
由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制，磨削后晶圓表面出現損傷、微裂紋和殘余應力，碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現象。
2、碳化硅的拋光加工研究
目前碳化硅的拋光方法主要有：機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。
化學機械拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。
CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響，結果表明：旋轉速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。
展開 基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展） ￥1.99
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
一種壓痕試驗仿真方法的介紹
1引言
壓痕仿真作為一種驗證分析壓痕理論的重要手段，由于壓痕試驗成本高，耗時長且試驗不易觀測到實時接觸力、實時裂紋擴展現象，壓痕仿真被廣泛用于硬脆材料的表面損傷、裂紋產生及擴展的研究中。本文提供了一種基于ANSYS LSDYNA的壓痕仿真建模方法，本文重在壓痕仿真的建模方法實現，對于其結果的正確性需要與實際實驗對比。
2模型的建立
2.1壓痕理論
壓痕理論作為斷裂力學的重要組成部分，很多學者已經對其進行過細致的分析討論，這里只是簡單介紹一下模型中磨粒壓入工件裂紋產生及擴展的基本原理，并通過此理論對后處理數據做出相應地解釋[1]。如圖2-1所示，磨粒（類比于尖銳壓頭）在對工件初始加載過程中，磨粒正下方會形成一個塑性變形區，主要包括：塑性變形、相變、軟化、微觀裂紋等，另外磨粒不斷向下加載，工件材料開始向兩側流動，形成材料的堆積如圖2-1（a）所示。當加載磨粒上的壓力增加時（等效于磨粒具備向下的速度），磨粒壓入工件深度增大導致塑性變形區繼續擴大，同時材料的各項異性特性導致裂紋橫向、縱向擴展的寬度、長度、速度均不同，更本質的原因是塑性變形區和塑性變形區下方的彈性區兩者的內部殘余應力不同（如圖2-1（b）所示）。當卸載過程開始時（磨粒向上運動），此時側向裂紋擴展出現，殘余應力為裂紋擴展提供動力，當殘余應力繼續增大時，中位裂紋也會持續擴展（見圖2-1（c）所示）。隨著磨粒的進一步卸載，橫向裂紋進一步擴展，裂紋擴展形貌類似于月牙形，其原理是：裂紋最小阻力原理，即裂紋總是向著最小阻力的方向延伸擴展。而最小阻力通常來自材料的自由表面，因此在磨粒卸載過程中，橫向裂紋的擴展會逐漸向自由表面彎曲如圖2-1（d）所示，當橫向裂紋擴展到材料的自由表面時，就會導致材料的碎裂脫落，即材料的最終去除。
展開 沖壓件加工廠談激光加工
激光加工不需要加工工具，加工的小孔孔徑可以小到幾微米，而且還可以切割的焊接各種硬脆和難熔工件，具有加工速度快、效率高、表面變形小等特點，因而應用越來越廣泛。另外激光在機械制造業中還可用于精密測量等方面。
