【摘要】 对带有维氏压头的光学玻璃BK7进行了微米级和亚微米级的划痕试验。

为了获得脆性材料在精密和超精密磨削过程中的变形和断裂行为的基本信息，用维氏压痕仪对光学玻璃BK7进行了微米和亚微米尺度的划痕试验。在划痕槽周围观察到三种类型的表面裂纹。它们是横向开裂、径向开裂和移动压头前方的开裂[1-3]。结果表明，横向裂纹损伤尺寸大，起裂载荷小，是主要的损伤类型。研究了表面裂纹对法向载荷与划痕深度平方关系的影响。塑性区大小以及滑动泡沫场强度被表示为压头接触区大小的函数。建立了横向裂纹损伤区大小的预测模型，并与实验结果进行了比较。

 

对带有维氏压头的光学玻璃BK7进行了微米级和亚微米级的划痕试验。在划痕附近观察到三种表面裂纹，即横向裂纹、径向裂纹和移动压头前方的裂纹。在移动压头前面出现裂纹之前，即使在划痕槽周围出现横向裂纹，法向载荷与划痕深度的平方也是线性关系。当法向载荷大于130mN时，划痕深度的平方随法向载荷的增大而不稳定地增大。横向裂纹因其损伤尺寸大、起裂载荷低而被认为是主要的裂纹类型。

 

根据对划痕深度和残余深度的测量，估算了压头的接触区大小。塑性区大小和滑动泡沫场强度均表示为接触区大小的函数。建立了横向裂纹损伤区大小的预测模型，并与实验结果进行了比较。结果表明，在相对较小的法向载荷下(即不超过100mN)，理论计算结果与实验数据基本吻合。该预测模型有助于对精密和超精密磨削过程中邻域间相互作用强度的评估和材料去除量的估算。

 

值得注意的是，该模型适用于具有非晶态性质的脆性材料(如光学玻璃)。然而，对于多晶材料，如结构陶瓷，应考虑颗粒的影响。当法向载荷大于100mN左右时，预测值与实验值相差较大。下一步的工作是研究裂纹尖端应力集中对横向裂纹扩展的影响，并进一步预测相对较高的法向载荷下的损伤区尺寸。

 

[1] A. B. van Groenou, N. Mann and J. B. D. Veldkamp, Singlepoint scratches as a basis for understanding grinding and lapping, Science of Ceramic Machining and Surface Finishing, 2 (1997) 43-60.

[2] G. Subhash and R. Bandyo, A new scratch resistance measure for structural ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 88 (2005) 918-925.

[3] G. Subhash and M. Klecka, Ductile to brittle transition depth during single-grit scratching on alumina ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 90 (2007) 3704-3707.

 

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