基于能量法的残余应力测试

通过对压痕过程进行理论分析,基于能量法研究了残余应力测试原理和方法。通过张量分解,推导了残余应力在压痕过程中所做的功;通过有限元分析,总结了残余应力对压痕过程的影响;根据功与能量的关系,建立了压痕功与残余应力之间的解析模型,并推导了残余应力求解公式。结果表明:残余应力对压痕加载的初始阶段影响很大,但对加载的后半阶段和卸载过程的影响很小,可忽略不计,并且拉应力对压痕过程的影响明显大于压应力,可以认为压痕在加载过程中是一个弹塑性的变形过程,而在卸载过程中是弹性变形过程;试验证明了所建立的残余应力模型求解的残余应力是准确可靠的,可以用于残余应力的测试。     

硬脆材料微纳米压痕微尺度材料去除机理有限元仿真研究

基于LS-DYNA有限元仿真平台对石英玻璃微纳米压痕加—卸载过程进行建模仿真研究。针对微纳米压痕仪的标准Berkovich压头进行建模,基于石英玻璃的本构模型,施加载荷与边界条件,采用局部细化技术进行网格划分,构建三维有限元模型。分析压头加—卸载时,压头与试件作用区域最大主应力场和等效应力场的分布,研究石英玻璃微纳米尺度的材料去除机理。对比压痕实验,验证有限元仿真的正确性和可靠性。     

非理想情况下薄膜Oliver&Pharr压入硬度的校正

通过量纲分析及有限元数值计算,提出了Berkovich压头尖端钝化情况下残余压应力场中薄膜Oliver&Pharr压入硬度的校正公式及相应校正程序.根据该方法,只要测定薄膜纳米压入加卸载曲线、薄膜中的残余压应力及压头的相对钝化量,便可最终确定理想压头下无残余应力时的薄膜硬度.     

单晶MgO微观力学行为和磨粒加工表面层损伤

通过纳米压痕、微压痕和微划痕试验,研究了单晶MgO不同晶面的的纳米力学性能以及微观变形和损伤特征。根据加载条件的不同,单晶MgO会发生:弹性变形、弹塑性变形、蠕变变形、微裂纹和微破碎。弹性变形时的纳米压痕力-位移曲线符合赫兹弹性接触理论,其变形在卸载后可完全恢复;塑性变形时MgO在{110}易滑移晶面系内位错形核和滑移的结果。     

非理想情况下薄膜Oliver&Pharr压入硬度的校正

通过量纲分析及有限元数值计算,提出了Berkovich压头尖端钝化情况下残余压应力场中薄膜Oliver&Pharr压入硬度的校正公式及相应校正程序。根据该方法,只要测定薄膜纳米压入加卸载曲线、薄膜中的残余压应力及压头的相对钝化量,便可最终确定理想压头下无残余应力时的薄膜硬度。     

基于单片机的AFM纳米机械性能测试系统

摘要：目的：为解决采用AFM系统进行纳米机械性能测试中存在的不能够直接获得载荷——压深曲线以及不能够随意改变加载、保载、卸载时间等问题,对AFM系统进行改造。方法：开发了一套基于单片机的信号输入输出模块。将该模块与AFM控制系统相联,形成新的纳米机械性能测试系统。结果：该系统可以实现动态改变垂直载荷,并依据相应算法,可以实现载荷——压深曲线的实时获得。通过单片机设置模拟信号的输出速率可以实现加载、保载和卸载速率的改变。并结合二维微动精密工作台,可以实现较大范围内点阵的压痕测试。结论：通过在聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷等材料表面进行试验测试表明：该系统可以进行高速高精度的测量样品的纳米机械性能参数,包括对样品进行纳米压痕测试和对样品的纯弹性变形过程进行检测如聚二甲基硅氧烷或者各种微梁等微小构件。     

中阶梯光栅铝膜的大压深纳米压痕试验

为研究光栅铝膜在机械刻划深度范围内的弹塑性变形特征,通过纳米压痕仪的Berkovich压头对现有79 g/mm中阶梯光栅铝膜进行大压深连续纳米压痕试验测试。按10 s-10 s的加-卸载方式进行压深步0.5μm、最大压深5.0μm、每个压痕步重复6次的连续压痕试验,获得整个压深尺度范围内弹性模量、硬度、最大回弹量、等效回弹锥角和回弹系数随压深的变化规律。光栅镀铝膜层材料的弹性模量、硬度在浅表层体现出较强尺寸效应,同时在镀铬过渡层和玻璃基底综合效应的影响下出现"拐点"极值;残余压痕的最大回弹量随压深近似线性增加,但是相对压深的回弹量、等效回弹锥角和回弹系数均随压深减小,这表明光栅铝膜在机械刻划深度范围内的回弹性能受压入深度的影响较大。这对于认识现有中阶梯光栅镀铝膜层材料的力学性能并改进镀膜工艺具有重要意义。     

基于纳米压痕的线性黏弹材料泊松比的测试方法

将Berkovich压针纳米压痕蠕变和单轴拉伸蠕变试验相结合,提出了一种适合于线性黏弹材料泊松比的测试方法,并采用恒定荷载与恒加载速率2种加载模式测试了聚碳酸酯的泊松比。结果表明:在纳米压痕试验的时间尺度内,线性黏弹材料的泊松比可视为不变,其测量值与电阻应变法的试验结果基本一致,二者相差小于7%,其中恒加载速率压痕蠕变的试验结果更为稳定。     

纳米压痕硬度尺寸效应分析及其试验研究

针对材料纳米压痕硬度的压痕尺寸效应(Indentation size effect,ISE),利用纳米压痕技术测得单晶铝和单晶硅的载荷-压深曲线,获得最大载荷和最大压深,并结合原子力显微镜,获得压痕的三维形貌,计算出压痕的真实残余面积。根据最大压深和残余面积提出了一个新的模型——残余面积最大压深模型,此模型能更好地理解和描述材料硬度的压痕尺寸效应,并与其他几种典型的理论和模型进行了比较和分析。     

磷酸二氢钾单晶体纳米压痕的力学行为

磷酸二氢钾(KH2PO4, KDP)单晶体的纳米力学特性是研究其超精密加工重要依据之一.试验针对(001)晶面和三倍频晶面采用带有针尖半径为50 nm的Berkovich压头的纳米压痕仪对KDP晶体进行力学特性分析,结果表明,两个晶面的纳米硬度H和弹性模量E都表现出强烈的载荷依赖效应.应用Meyer定律和修正比例样件阻尼(Modified proportional specimen resistance, MPSR)模型揭示和说明KDP晶体纳米压痕尺寸效应现象是一种载荷和压痕深度非线性比例阻尼的结果;对加工样件的Raman光谱分析结果表明,加工表面残余应力是影响压痕尺寸效应的非线性程度的重要因素.对材料加载位移曲线的进一步观测发现存在加载突进现象,该现象和材料的弹塑性转变密切相关.