KDP晶体材料性能建模

1、KDP晶体材料性能建模在采用有限兀仿真分析的方法进行KDF晶体诜削仿旦的过程中.为门史所得仿真结果尽可能的接近实師的加工结果，首先就需要准确的仿真材料模型，囚此肅要適过实验得到实验M料的各种力学性隠蔘数.建立材料的本构棋型°化仿真软件中上确建立材料模型.经il仿真计算就可以得到与实际加工效果相类似的加工结果.从而可以进行刀具参数的优化.传统的获取材料力学性能的实脸方法有材料的拉伸与压缩实验，常规餉硕度爪晦实验等等，但是随着材料种类的增彭，传绒的实验方法已经难以满足对于材料力学性能获取的需求館着精密、超精密加工技术的发展.采用纳来压痕实脸己经逐浙成为获取薄膜材料、脆性材料等材料力学性能

2、的垂要手段*通过纳来压痕实验可以得到实验材料的纳米硬度、弹性tSft.Mi痕蠕变丄松弛和断裂韧性等力学性能措标KDP晶体因其软脆的捋性便其不宜采用传统的实验方法状得其力事性籬参垃而纳垠M根吭验的J）法可以祖确而高效时获得M仿贞所需整数”因此木章通过纳来压痕实验的方法来获取其力学性能髯数以用于后续的洗削有隈元仿克分折口3.2纳米压痕实验原理纳於圧痕实验見利用具冇斬定形状的金刖石巫莅特定戦荷作:用下以定的速度垂直爪入被测材料崔而，并可以通过文时的记录压入的栽荷与圧入深度的关系得到载荷一位移（F-h）曲线，井且通过处理压痕实验的報荷一位移数摒曲线號町以得到材料的若种力学性能参数，OlivcrPtin

3、n（O&P）方法是昌前应用最广、也是商业化纳米體度计Bf采用的方法.通过Oliver-PtwiT的讣算公式就可以获取材科纳来硬度丹和弼性模董童国凹.杞抿兗唸测试结果的最大拔荷儘、昂大徼移码和完土卸我后残余的位移也以及JT載时曲线顶端的斜牵5按枇刚度）就可以通过以下公式il畀出克验材料的硕度哄勺号险（3-1）AJ-21.563+工Lq至（3-2）(3-3>(37)式中H材料硬度(GP小C-常数，对T理想的Berkovich压头=0；A压头接触深度(nm>£与丿X头启关的常数，对于Berkovich汗头£=075:A压头与被压林料接触面的投彫面枳(mu2),

4、其中材料的弹性模虽£可以山以下公戏il算得出：(3-5>(3-6>e_«a-v2)(1EWSE厂2卩M式中Et一压头的蝉性IMM(GPa>,对十犬然金刚右压头£=1114GPa：E,一一约化弹性模星(GPa),由爪头和试件的总弹性变形而产生的：匕一一压头的泊松比，对于天然金刚石压头气=0.07呵；v一一被测材料的泊松比：P-与压头儿何形状相关的常数，对于Bcikov-ich压头0=0.7268。3.3纳米压痕实验设计实验试件制备纳米压痕实验作为研究材料力学性能的种虫要手段.其对于实验材料的尺寸大小以及压痕试件实验表面质疑冇一定的严格更求，山于实验

5、采用的纳米爪痕仪(Nano-Idcntei*XP.Agilentcompany)：作台的限制,试验试件尺寸直径须在03Onmi以内，M度不超过14mm因此，在实验询预先将大块KDF晶体在专用的KDP品体铳床丄进行铳削加工并切割成实验所需尺、人小，以淌足了纳米斥痕实验的要求。实验设备纳米压痕实验是在MTS公刁生产的纳米压腹仪上进行的，如图31所示。纳米爪痕仪采用的是金刚石BerkovichJk头.则试时采用XP型模式，此时该实验设备的位移分辨率为0.01mil.最大压痕深度为500pni,最大裁荷为500iiiN»载荷分辨率为50nN实验过程通过设定后由汁算机自动控制进疔.最终由相关的

6、软件进行数据的采集与显几3345121一纳米用痕仪？一隔惊箱3-连皺砌度衬定誥4一数曲采集/控制单元5计岸机用31纳米压痕丈脸系绒3.4实验结果的研究与分析压痕实验的载荷一位移曲线、弹性模量以及硬度实验过程中分别对三类KDP緒体进行纳米I；痕实验，其中I类和II类KDP晶体的汗痕深度为1000mm开关类KDP品体的用娘深度为200nm.实验过程中爪头孩近丄竹的建嗖为lOimVso为保证实脸结果的可靠性，分别对二炎KDP品体各压5个点并取醤压痕数据的平均值,所得材料的敎荷一他移曲线如图32所示。从国中可以看岀KDP品体纳米丿k痕分为加载与卸载的期个过程，并I!卸载后存在着定的残余压痕深度。>

7、;o.ooeo>Imo>i$placentE.tIntoSujfacta)I类:M!<ICORODisplaeenentIntoSurftct(m)b)II类SE一iqdEM-Mo"WH£e:E&VoF0OI£e:E&VoF0OISOJOOISO291D:cplacomentIntoStirfar®(wi)c)开关类图3-2二种KDP晶体的纳氷压痕戦简一位移曲线三类KPP品体经过多点压浪实验后，山压痕实验专用的数据软件得出了具弾性模虽和便度值，如衣31和32所示。从老中可以看出，三类KDP晶体的弹性模量与硕度之间均具冇一

8、定的差别，其中弹性模量和硕度均是开关类1类1【栄,可见KBP晶体不同晶面之间的力学性能具有一定的差异.?3-1三类KDP品休的弹性梗杲测跡号弹性模W1类II类开关类149.35245.21850.26725605646338494433429594304351055444.41453.08754.938552.7342.93753.356平均艸性模吊.E(GPa)49.102246.124651.S1&3-2三类KDP晶体的磧度测试疗:号I类磧股H(GPa)II类开关类12.2622.1153.19622.2932.1873.14432.417010")3.19542.226

9、2.333.41352.2772.1263.201平均吹度H(GPa)2.2952.1753.23载荷一位移曲线的数据拟合处理栽荷一位移曲线中的加裁曲线部分的拟合方法主要育Meyer指数模型、Kick模型、Bernhardt公式箸。口前对JBerkovichJk头的加戦曲线的拟介多采用Kick'sIjiw來描述，即式中C与载荷无关的拟合参数.而卸载曲线部分.常采用01iver-PtiaiT提出的杲函数规律进行拟合叫即武中£卸找时的载荷（N）：h压痕深度（inn）;hf残余深度（nm）：A、ni拟合参数。其中对【类KDP載荷一位移曲线的拟合结果如图33所屆Equatory-ao

10、Ad|.R3MU40祈OGEquatory-aoAd|.R3MU40祈OGLcedOnGameteVolucStandardError4G0RG660X)血EquW)y=taMoMFrrcr)S26ME40317S4»5COeMi1UUJtXlOa）加较曲线的拟合b）卸较曲线的拟合ffl3-3I类KDP晶体加我和岬戟曲規的拟合加我曲线:卸我曲线,&=0.02588(力-7,4.38592)(3-10)山関中拟合数列得到I类KDPiW体的加载和卸我曲线的拟合公式如下所示：尸=4.6072x10"，其中对【类KDP戦荷一位移曲线的拟介结果如图3-4所示。»CO

11、valueStancarobnorLoadona44zwts334iartampHb20<faty-r(«4>rcA3jR-$qu«reC929963$uncudInof00W1cooirLMM3C3TberoHbC85JB1GOOMS2010asccpg9oA32i2匸nxsLC无一0200400600800：0000200008)080010(BDisplacementintoSuiace(nm)Ospiicemtminto&jrHce(rur)a)加取曲线的拟合b)卸戎曲线的拟合HH34II类KDPiR体加哉和卸載线的叔合山图中拟合数据得型1【类K

12、DP品体的加载和卸戟曲线的拟介公式如下所示，加载曲线：P=44233xior'(3-11>卸我曲线:卸我曲线:f=0.03031(-785.53542尸汝(3-12>其中对开关类KDP我荷一位移曲线的拟介结果如图35所示。Eq55疗hi"g只女o钝如Valuel<*JOn/DJHME-5Sorpc0zbUrdardtiro矜Ditp“mntIntoSuftce(nm)加我曲线的拟合9叱"y«rio>*comi&VCHMOdertrwConor473G4K4leadCh*bM5O0*023407C3»<20&#

13、171;W7y¥zu$01001502CODicpbccmcntletcSurface(nm)b)卸我曲线的拟合图3-5开关类KDP晶体加毂和卸敘曲线的烦合山图中拟合数据得到开关类KDP品体的加戟和卸戟曲线的拟合公式如下所示：加载曲线，P=7.03998xl0-3/r(3-13)卸戟曲线：P"=0.01101(力-138.,9301)®©(3-14)从以上加敦与卸取曲线的拟合图中可以看出三类晶体的卸戟曲线部分得到了比较好的函数曲线拟合、I类和1【类KDP.Vi体加载部分的实验曲线拟合性较好，而开关类的丿川载部分的拟合曲线与实际的船线有一宦的出入，采用Ki

14、ck'slaw来描述加我曲线时会有一定的误差刚。343应力一应变转换敦荷一位移曲线转换为应力一应变曲线是以11纲分折法为歴础的盟。材料的塑性变化町以用尿强化模空来近似表示，因此材料的应力一应变关系nJ以表示为,Ec(bMb)fr=1(3-15)Rb(<7>CT)式中E杨氏模量(GPa)：R-强化系数：/|一一应变硬化指数；6初始屈服强度(MPa：5一相应的屈服应变.文献46给出了根据我荷一位移曲线得出应力一应变曲线的方法。因此可得出三类KDP晶体的应力一应变关系如下所示：I灾品体的应力一应变关系式：&=4.04387xlO-3V_J491O22£(C70198.563MPa)6.7371f043?55(a>198.563MPa)»I【类晶体的皿力一应变关系式：£,=3.93985x107461246w(a<181.721IPa)G=«0.471227c01721(a>181.724NIPn)开关类晶体的应力一应变关系式：&,=3.023934x0"35181r(al56.67MPa)o、44486,严切(ffni667MPsi)(3J6)(347)(348)根据以上所得的三类KDP品体的冋力一应变关系式，可以绘出苴应力一应变曲线图.如图36所示：开关类图