基于激光声表面波的硬脆材料加工表面/亚表面残余应力检测理论与方法研究
批准号:
52075379
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
林滨
依托单位:
学科分类:
加工制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
林滨
中文摘要
硬脆材料以其独特的机械、力学及光电性能在航空航天、国防等高新技术领域广泛应用。其精密和超精密加工表面残余应力的定量检测是表面完整性研究领域有挑战性的课题。课题基于材料弹性力学、塑性力学及非线性声学传播理论,研究激光表面波在加工表面/亚表面应力层传播机制;建立反映加工表面特性、加工表面残余应力状态及所带来的频散及衰减的声表面波非线性传播模型;研究声表面波非线性传播特征反演带损伤标定残余应力的算法;提出求解瞬态声表面波时频多尺度速度和能量衰减的新方法;通过改进设计搭建基于外差式激光干涉仪的激光声表面波检测平台,实现硬脆材料加工表面/亚表面残余应力的纳米级定量检测;通过与X射线衍射仪、纳米压痕仪进行对比测试,验证该检测系统测量结果的可靠性。本研究作为硬脆材料加工表面/亚表面残余应力的定量检测提供可靠手段,对实现加工表面完整性定量评价及提高其零件的使役性能有着重要的理论意义和工程应用价值。
英文摘要
Hard-brittle materials are widely used in the aerospace, national defense and other high-tech fields for their unique mechanical properties and optoelectronic properties. The quantitative detection of its surface residual stresses generated by precision and ultra-precision machining is taken as a challenging subject in the field of surface integrity research. In this project, based on material elastic mechanics, plastic mechanics and nonlinear acoustic propagation theory, the propagation mechanism of Laser Generated Surface Acoustic Wave (LSAW) in the layer of machined surface/subsurface stress layer will be researched; establish the LSAW nonlinear propagation model which reflects the machined surface characteristics, the residual stress state of the machined surface, and the dispersion and attenuation effect; study the algorithm of residual stress with damage calibration inversion based on the nonlinear propagation characteristics of LSAW and a new method for solving time-frequency multi-scale velocity and energy attenuation of transient LSAW; by improving the design of LSAW detection platform based on heterodyne laser interferometer, the nano-scale quantitative detection of surface/subsurface residual stress of hard-brittle materials will be realized; verify the reliability of the measurement results of the detection system by comparison with results of X-ray Diffractometer and Nano-indentation. This work provides a reliable means for the quantitative detection of surface/subsurface residual stress of hard-brittle materials. And it has important theoretical significance and practical application value for the quantitative evaluation of machined surface integrity and improving the service condition of its parts.
硬脆材料加工表面完整性的无损定量评价是精密制造领域中控制产品质量和保障其使役性能的关键技术之一。残余应力作为表面完整性的重要评价指标,通常与亚表面损伤共同存在于加工表面内部,故其无损检测极具挑战性。本课题基于激光声表面波无损检测技术,利用脉冲激光激发得到的宽频带声表面波信号在分层介质中的频散现象,实现了硬脆材料加工表面/亚表面残余应力与亚表面损伤的复合检测,研究成果包括:提出了广域声弹性理论,并在此框架下建立了声表面波在具有残余应力与各向异性损伤的分层介质中传播的解析、数值理论频散模型;使用有限差分模型、分子动力学模型从宏观、微观层面对声表面波在硬脆材料加工表面的激光激发与传播机制进行了多尺度数值仿真,与理论频散模型共同为残余应力与损伤的多元量化奠定了坚实的理论基础;提出了一种基于同步压缩小波变换和互相关算法的声表面波多模态频散特性表征新方法;设计了基于外差式激光干涉仪的非接触式检测模块和基于压电薄膜的接触式检测模块,搭建了激光声表面波无损检测系统,声表面波速度测试精度优于0.05%;开发了基于激光声表面波实验频散数据及理论频散模型的贝叶斯反演算法,结合所搭建的系统,在不同加工质量单晶硅片上实现了以参数值、置信区间和相关性多元表达的硬脆材料加工表面/亚表面残余应力及损伤的定量表征,检测结果准确性已通过高分辨显微拉曼光谱、纳米压痕、透射电子显微镜等检测方法得到了验证;拓展研究了超薄试件极端下边界效应对激光声表面波检测的影响,分析并量化了这一边界效应导致的激光超声波声学模式转换过程及其对检测结果的扰动。本课题研究的基于激光声表面波的加工表面/亚表面残余应力检测理论与方法表现出了高精度、高分辨率、独特且具有可扩展性的技术能力,能够成为芯片、半导体及硬脆材料精密制造领域中的关键基础技术之一。
基于激光表面波技术的硬脆材料加工表面/亚表面损伤检测理论与方法研究
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批准号:51375334
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2013
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负责人:林滨
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依托单位:
工程陶瓷精密磨削表面损伤及形貌特征表征技术研究
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批准号:51075296
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项目类别:面上项目
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资助金额:36.0万元
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批准年份:2010
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负责人:林滨
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依托单位:
先进陶瓷磨削表面力学损伤评价及其可控磨削技术研究
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批准号:50475114
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项目类别:面上项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2004
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负责人:林滨
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依托单位:
国内基金
海外基金