The background of this study lies in he investigation of the formation mechanism of ductile mode(nkanometer-size) chips of brittle materials such as fine ceramics glass and silicon. As the first step to achieve this purpose this paper intends to observe the micro-deformation behavior of these materials in sub${\mu}{\textrm}{m}$ depth indentation tests using a diamond indentor. In this study it was developed Ultra-Micro Indentation. Device using the PZT actuator. Experimentally by using the Ultra-Micro Indentation device the micro fracture behavior of the silicon wafer was investigated. It was possible that ductile-brittle transition point in ultimate surface of brittle material can be detected by adding an acoustic emission sensor system to the Ultra-Micro Indentation appartus.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제4권1호
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pp.30-36
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2003
Brittle materials such as glasses and ceramics, which are very weak under impact loading, show fragile failure mode due to their low fracture toughness and crack sensitivity. When brittle materials are subjected to impact by small spheres, high contact pressure occurs at the impacted surface causing local damage on the specimen. This damage is a dangerous factor in causing the final fracture of structures. In this research, the crack propagation process of soda-lime glass by the impact of small spheres is explained and the effects of several constraint conditions for impact damage were studied by using soda-lime glass; that is, the effects for the materials and sizes of impact ball, thickness of specimen and residual strength were evaluated. Especially, this research has focused on the damage behavior of ring cracks, cone cracks and several other kinds of cracks.
In the previous report1), the grinding characteristics of quartz were investigated. In this paper, the grinding mechanisms of brittle materials including ceramics and quartz are modeled and a new parameter SDR(Surface roughness Direction Ratio) is proposed to characterize the grinding mechanisms of such materials. A set of experiments were performed to verify the effectiveness of the suggested parameter. The experimental results indicate that the plastic deformation is the dominant material removal mode at the grinding conditions which show the higher value of SDR. In the case of quartz, the material was removed by brittle fracture in a lower value of SDR and by plastic deformation in a higher value of it. SDR is not affected by wheel mesh size when brittle fracture occured. But in the plastic deformation case, SDR value increases with wheel mesh size.
Brittle materials such as ceramics and glasses show fragile fracture due to the low toughness and the crack sensitivity. When brittle materials are subjected to impact loading by small spheres, high contact pressure occurs to the surface of the specimen. Local damage is subsequently generated in the specimen. This local damage is a dangerous factor which gives rise to the final fracture of structures. In this research, impact damage of soda-lime glass plates by small spheres was evaluated by considering the effects of impact directions of indenter, pressure condition of specimen and residual strength after impact loading.
Fracture toughness of heterogeneous brittle materials such as poly crystalline ceramics used to present the size (thickness) effect as well as statistically distributed results. There is belief that both(size effect and scatter) must be associated with each other. However, no generally accepted theory has been established so far. Using statistical approach, a probabilistic modeling for the fracture toughness which describes the thickness effect was attempted in this paper, Weibull distribution of specific fracture energy(SFE)at local areas and Griffith criterion are applied to the model. In addition, the newly developed model was verified with experimental results of alumina.
$Al_2O_3$ ceramics are generally used as components in processing equipment, devices or machinery because it can perform some functions better than competing metals or polymers. Many of these applications rely on $Al_2O_3$ ceramics special electromagnetic properties, its relative chemical inertness, hardness, strength and its temperature capabilities. But $Al_2O_3$ ceramics are brittle materials, a fact that may cause problems and at the same time be helpful while machining with laser. This study described a basic study of the input parameters effect on the dimension of the microhole at the $Al_2O_3$ ceramics using Excimer laser. In the laser microhole machining of $Al_2O_3$ ceramics, major input parameters are pulse energy, pulse power, pulse frequency and pulse numbers. In conclusion, we can get a smaller microhole and diameter rate by an appropriate pulse energy, pulse frequency and pulse number.
Silicon nitride is one of the most successful engineering ceramics, owing to a favorable combination of properties, including high strength, high hardness, low thermal expansion coefficient, and high fracture toughness. However, the impact damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics has not been widely characterized. In this study, sphere and explosive indentations were used to characterize the static and dynamic damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics with different microstructures. Three grades of $Si_3N_4$ with different grain size and shape, fine-equiaxed, medium, and coarse-elongated, were prepared. In order to observe the subsurface damaged zone, a bonded-interface technique was adopted. Subsurface damage evolution of the specimens was then characterized extensively using optical and electron microscopy. It was found that the damage response depends strongly on the microstructure of the ceramics, particularly on the glassy grain boundary phase. In the case of static indentation, examination of subsurface damage revealed competition between brittle and ductile damage modes. In contrast to static indentation results, dynamic indentation induces a massive subsurface yield zone that contains severe micro-failures. In this study, it is suggested that the weak glassy grain boundary phase plays an important role in the resistance to dynamic fracture.
In the previous report1), the grinding characteristics of quartz were investigated. In this paper, the grinding mechanisms of brittle materials including ceramics and quartz are modeled and a new parameter SDR(Surface roughness Direction Ratio) is proposed to characterize the grinding mechanisms of such materials. A set of experiments were performed to verify the effectiveness of the suggested parameter. The experimental results indicate that the plastic deformation is the dominant material removal mode at the grinding conditions which show the higher value of SDR. In the case of quartz, the material was removed by brittle fracture in a lower value of SDR and by plastic deformation in a higher value of it. SDR is not affected by wheel mesh size when brittle fracture occured. But in the plastic deformation case, SDR value increases with wheel mesh size.
The machining technology for the brittle materials such as ceramics are applied to the fields of MEMS(micro electromechanical system) by the progress of new machining technologies such as Etching, Diamond machining, Micro drilling, EDM(Electro discharge machining), ECDM(Electro discharge machining), USM(Ultrasonic machining), LBM(Laser beam machining), EBM(Electron beam machining). Especially, the USM technology can be applied to the dieletric brittle materials such as silicon, borosilicate glass, silicon nitride, quartz and ceramics with high aspect ratio. The micro machining system with machining force controlled position servo is developed in this paper and the optimized ultrasonic machining algorithm is constructed by the force controlled position servo control. The load cell is adapted in the force measuring and the servo control algorithm, suit for the ultrasonic machining characteristics, is estabilished with using the PID auto-tunning functions at the PMAC system which is generally adapted in the field of robot industries. The precision force signal amplifier is constructed with high precision operational amplifier AD524. The vacuum adsorption chuck which is made of titanum and internal flow line is engraved, is used in the workpiece fixing. The mahining results by USM shows that there are some deviation between the force command and the actual machining force that the servo control algorithm should be applied in the machining procedures. Therefore, the constant force controlled position servo system is developed for the micro USM system and by the examination machining process in USM, the stable USM system is realized by tracking the average value of machining force.
Ultrasonic machining technology has been developed over recent years for the manufacture of cost-effective and quality-assured precision parts for several industrial application such as optics, semiconductors, aerospace, and automobile. Ultrasonic machining process is an efficient and economical means of precision machining of ceramic materials. The process is non-thermal, non-chemical and non-electric md hardly creates changes to the mechanical properties of the brittle materials machined. This paper describes the characteristics of the micro-hole of $Al_2O_3$ by ultrasonic machining with tungsten carbide tool. The effects of various parameters of ultrasonic machining, including abrasives, machining force and pressure, on the material removal rate, hole quality, and tool wear presented and discussed. The ultrasonic Machining of micro-holes in ceramics has been under taken and the machining mechanism in the ultrasonic machining of ceramics based on the fracture-mechanics concept has been analyzed.
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