Towards understanding the mechanism of vibration-assisted cutting of monocrystalline silicon by cyclic nanoindentation

纳米压痕 材料科学 脆性 缩进 单晶硅 碎屑形成 复合材料 微观结构 变形(气象学) 冶金 刀具磨损 机械加工
作者
Weihai Huang,Jiwang Yan
出处
期刊:Journal of Materials Processing Technology [Elsevier BV]
卷期号:311: 117797-117797 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.jmatprotec.2022.117797
摘要

Ultrasonic vibration cutting (UVC) is a promising technology that can promote the processing of hard-brittle materials in ductile mode. The feature of intermittent cutting in UVC is considered to promote the ductile responses of brittle materials. However, the effect of cyclic loading/impact on microscopic deformation behavior of the workpiece material in UVC is not clearly understood. This study used cyclic nanoindentation to reveal the UVC mechanism in monocrystalline silicon (Si). The surface morphology and subsurface microstructure of the residual indents were characterized and compared with those of the UVC-machined grooves. This work attempted to correlate the tool-workpiece contacts for cyclic nanoindentation and vibration cutting. Cyclic nanoindentation results show that cyclic loading promotes the extent of silicon amorphization and decreases the threshold for transitioning the β–Sn phase to the bc8 and r8 phases. As the number of indentation cycles increases, the subsurface microstructure changes from the amorphous phase to the bc8 and r8 phases. In UVC, both the critical cutting depth for brittle-to-ductile transition and the degree of amorphization in cutting chips increase in comparison to conventional cutting, which matches the trend of cyclic nanoindentation results. The findings inform the chip formation and subsurface deformation mechanisms of brittle materials during UVC.
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