1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 华侨大学 制造工程研究院，福建厦门36101
钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。
超精密磨削 YAG晶体 纳米压痕 纳米划痕 脆塑转变 YAG crystal nano-indentation nano-scratch brittle-to-ductile transition ultra-precision grinding
昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
硫系玻璃是热成像系统元件的重要材料，虽然适合成型，但这些脆性材料的加工特性在很大程度上是未知的。因此为了解硫系玻璃的微观变形机理，采用纳米压痕仪对硫系玻璃进行压痕实验、变载划痕实验和恒载划痕实验。纳米压痕实验中获得的数据表明，硫系玻璃在压痕的过程中出现了不连续阶梯状（pop-in）现象，从而表明材料发生了弹塑性转变，并得出材料的弹性模量和硬度；通过对压痕后的形貌进行观察，发现有边缘存在材料堆积现象，这将使通过Oliver-Pharr方法计算得出的弹性模量和硬度偏大，因此需要使用半椭圆模型进行校正。通过变载划痕实验得出划痕深度-长度曲线图，分析了硫系玻璃在每种阶段的去除方式，得出了脆塑转变的临界载荷为92.3 mN；通过对恒载划痕实验数据进行分析，得出脆塑转变的临界载荷为50~120 mN，证实了变载划痕实验所得临界载荷的准确性。
材料 硫系玻璃 纳米压痕 脆塑转变 变载划痕实验 恒载划痕实验 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2116002
1 重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054
2 成都光明光电股份有限公司，四川 成都 610000
划痕是光学玻璃常见的缺陷，会导致光束质量下降、光学玻璃热效应增强、抗激光损伤性能降低等，所以在加工过程中需要对其进行准确检测和表征。选取划痕深度值为70 nm的光学玻璃为检测样本，采用光干涉法通过光波加载光学玻璃划痕信息，接着对干涉条纹图像进行图像处理和边缘检测，获取划痕的实际深度值。实验证明，光干涉法测量划痕深度值为70 nm的光学玻璃时，相对误差低于1%。所提方法为光学玻璃加工过程中发现数十纳米级的划痕深度值提供了一种检测手段。
光学干涉 玻璃划痕 图像处理 边缘检测 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1618001
1 西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021
2 中国兵器科学院宁波分院，浙江 宁波 310022
针对散射法在检测光学元件表面划痕时只能得到其光场分布而无法直接得到划痕深度信息的问题，将角谱迭代算法、光强传输方程（TIE）和角谱迭代结合的算法应用到光学元件表面划痕深度检测中。首先，采集光学元件表面的光场分布，分别利用两种重建算法得到表面划痕的相位分布，通过表面划痕对相位的调制特性计算出划痕深度；然后，从强度误差、相关系数及相对均方根误差来对两种算法的有效性进行评价；最后，通过实验验证了光学元件表面划痕深度重建结果的准确性。结果表明，与角谱迭代算法相比，TIE和角谱迭代相结合的算法重建划痕深度的相对误差更小，重建效果更好，重建精度更高。
测量 散射法 散射分布 划痕深度 相位重建 角谱迭代算法 光强传输方程 光学学报
2023, 43(14): 1412002
1 江南大学理学院计算光学实验室，江苏 无锡 214122
2 无锡商业职业技术学院物联网与人工智能学院，江苏 无锡 214153
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
为了研究激光辐照含有表面划痕的熔石英的热应力特性，基于电磁场、热传导及弹塑性力学理论，建立了适用于不同表面缺陷类型的纳秒脉冲激光辐照熔石英的热应力数值模型。利用该模型计算得到平滑表面和划痕表面熔石英在激光辐照后的温度场分布和应力场分布，并通过搭建的激光损伤测试及应力在线测量系统实验验证了所建模型。研究结果表明，熔石英的表面结构引起的光场调制会导致激光辐照后熔石英内部应力增强，并且应力大小与其表面结构尺寸密切相关。研究结果不仅有助于分析含有表面划痕的光学元件的激光损伤机理及残余应力，而且能够对激光加工的热应力调控提供理论依据。
激光技术 激光损伤 应力分布 表面划痕 光场调制 中国激光
2023, 50(12): 1202206
1 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉理工大学，武汉 430070
2 武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
水泥基材料脆性突出、易开裂是其工程应用亟须解决的关键难题。对水泥基材料各物相的微观脆性进行解析，并建立与其水泥基材料整体脆性之间的联系，是对水泥基材料进行增韧设计的基础和关键。采用微米划痕实验，获得断裂韧性-位移曲线，并联合高分辨扫描电子显微镜分析划痕区域所对应的物相，实现了水泥浆体及其微观物相断裂韧性的定量表征，从而建立了水泥浆体整体脆性与水化硅酸钙凝胶脆性之间的联系。
微米划痕 水化硅酸钙 断裂韧性 水泥基材料 micro-scratch calcium silicate hydrate fracture toughness cement based material
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
在超声振动打孔时, 微晶玻璃最大切深决定了孔壁表面质量。基于脆性断裂材料去除机理, 建立了简单实用的超声打孔材料去除率理论关系式, 得出影响表面质量的主要工艺参数为:金刚石粒径、刀具转速和进给速度。通过正交实验方法, 得到了微晶玻璃超声打孔的最佳工艺参数, 金刚石粒径650#、刀具转速12 000 rpm和进给速度5 mm/min。通过工艺参数优化后, 微晶玻璃打孔质量得到明显提升, 孔壁经过化学抛光处理后, 表面粗糙度Ra达到0.055 1 μm, 能有效提升激光陀螺腔体的真空特性和激光陀螺的性能。
超声振动 微晶玻璃 最大切深 表面粗糙度 表面质量 ultrasonic vibration ceramic glass max depth of the scratch surface roughness surface quality
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
在现阶段的智能制造过程中，精密产品及仪器表面的零划痕质量要求不断提高，基于机器视觉的划痕检测方法因其无损高精度的特点具有重要的研究意义。综述了基于机器视觉的划痕检测技术的发展现状，将目前主流的划痕检测方法分为手工设计特征方法和深度学习方法。基于手工设计特征的划痕检测方法包括灰度分布统计法、变换域法和高低维空间映射法，基于深度学习的划痕检测方法包括有监督学习方法和无监督学习方法，总结了每种方法的优缺点和适用场景，阐述了基于机器视觉的划痕检测技术的发展趋势。
机器视觉 划痕检测 数字图像处理 深度学习 激光与光电子学进展
2022, 59(14): 1415009
同济大学精密物理科学与工程学院光学工程技术研究所, 上海 200092
化学机械抛光法是制作超光滑单晶硅镜片的常用工艺,抛光过程中的各类杂质粒子经常会导致加工表面产生划痕,降低镜片的表面质量。为系统研究不同晶向单晶硅表面塑性划痕与抛光液中杂质的关系,设计了金刚石微粉掺杂抛光Si(111)、Si(110)和Si(100)晶面的实验。利用轮廓仪测量了不同晶向、不同掺杂浓度下的划痕形貌,并通过计算载荷归一化后的划痕宽度分布、划痕深度分布、粗糙度和二维功率谱密度来评估划痕形貌。结果显示,抛光液中杂质粒子粒径、硅片表面的划痕宽度均服从正态分布。随着杂质粒子浓度的增加,划痕形貌从非周期性特征转变为周期性波动,粗糙度出现突跃点。此外,在同浓度金刚石微粉掺杂情况下,Si(110)面在划痕产生初期有更好的杂质粒子容忍度。
测量 单晶硅 磨料 表面划痕 化学机械抛光 Hertz接触理论
