基于准连续介质法预测薄膜材料纳米硬度和弹性模量

采用准连续介质法模拟了单晶Al和单晶Cu纳米压痕实验中的初始塑性变形过程,获得了压头在不同压深下的加载和卸载曲线.在计算得到的载荷-压深曲线基础上,根据Oliver-Pharr法计算了薄膜材料的接触刚度、纳米硬度和弹性模量,并与相关文献的实验结果进行了比较.研究表明,接触刚度-位移曲线呈线性关系;纳米硬度测量中存在尺寸效应,而在弹性模量测量中却不存在尺寸效应.单晶Al和单晶Cu纳米硬度和弹性模量计算值分别为(0.584±0.013)和(84.088±0.332)GPa,(0.755±0.027)和(131.833±4.449)GPa.预测值与实验结果吻合,表明使用该方法预测薄膜材料的纳米硬度和弹性模量是可行的.     

压痕功方法确定材料的纳米硬度

在综合考虑压头尖端处的钝化效应以及压痕过程中材料的自由表面积变化等因素的基础上,对确定材料硬度的压痕功方法进行了改进.用这一改进的方法分析了钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕实验数据,发现所获得的硬度值与常规的Oliver-Pharr方法所获得的结果一致.     

纳米压痕法测量经深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量

借助纳米力学测试系统测试经深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量。结果表明:深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量分别为3.82GPa和117.67GPa,且铝青铜的硬度随压入深度的增加而逐渐降低,反映出硬度存在的尺寸效应,但弹性模量不存在尺寸效应现象。     

利用纳米压痕加载曲线计算硬度-压入深度关系及弹性模量

通过对纳米压痕法基本原理的分析与实验研究,证明了一般材料的接触刚度-位移（压入深度）为线性关系．该关系可从两个不同压入深度的压痕实验得到,利用该关系可从任意一条加载曲线计算出材料的硬度-位移关系及弹性模量值．实验结果表明这个计算结果是可靠的．     

摩擦表面纳米铜自修复膜显微硬度分析

利用T-11摩擦磨损试验机和MM-200摩擦磨损试验机进行了用纳米铜添加剂润滑的摩擦磨损试验,在磨痕表面形成了富含Cu元素的表面膜.纳米压痕试验结果表明,基体的硬度为10~13 GPa,而表面自修复膜的硬度从5 GPa到10 GPa,变化范围比较大.从硬度以及加工硬化程度和蠕变位移的测试结果可以看出,摩擦表面自修复膜的这些性能与纯铜膜的性能有很大的区别,而且在不同的深度有不同的变化,说明薄膜不是均匀铜膜,而是在成分、组织结构上有变化的复合膜.     

用纳米压痕仪测量Cu50Zr43Ti7非晶合金的硬度和弹性模量

用Berkovich和Cube-Corner压头分别测量了Cu50Zr43Ti7非晶合金的硬度(H)和弹性模量(E).结果发现,该合金的H和E与压头形状及测量所用载荷无关,H=(6.5±0.2)GPa,E=(114.4±2.1)GPa;相对于Berkovich压头,用Cube-Corner压头得到的压痕周围观察到较多的剪切带.该合金没有硬度的尺寸效应,变形也没有明显的加工硬化.用有限元(FE)计算得到该合金的屈服强度(σ)约为1.8 GPa,与压缩试验结果相符.     

纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析

为了研究单晶硅中纳米裂纹对加工过程的影响,建立了单晶硅纳米压痕的分子动力学模型.在该研究中,分析了不同压痕速度对单晶硅中纳米裂纹演化的影响.对纳米压痕工艺、温度变化、势能变化、加载力、裂纹扩展、配位数等进行了深入的研究.研究结果表明,工件中的纳米裂纹在加载过程中有愈合的趋势;压头加载速度越大,工件纳米压痕区温度越高,势...     

不同晶体取向Mo-Nb单晶的纳米压痕尺寸效应

采用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对Mo-Nb合金单晶(110)、(111)、(112)晶面的载荷-位移曲线、弹性模量,压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化进行了研究。结果表明,Mo-Nb单晶具有较好的塑性变形能力,Mo-Nb单晶的各晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现突进或突退现象,表明在加载和卸载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;材料的残余压痕呈现凸起形貌,表明Mo-Nb单晶有相对较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了Mo-Nb单晶的纳米硬度和弹性模量,3个晶面的纳米硬度均呈现出随着加载深度的增加而减小的趋势,表现出明显的压痕尺寸效应;3个晶面纳米硬度和弹性模量的大小关系为:(110)晶面(112)晶面(111)晶面;基于Nix-Gao模型计算了(110)、(111)、(112)晶面的无压痕尺寸效应时的纳米硬度(H_0)分别为3.96、2.61和3.47 GPa,尺寸效应因子(i)分别为0.18、0.16和0.18,微观特征长度(h*)分别为1196、2753和1559 nm。压入深度小于微观特征长度时,Mo-Nb单晶具有明显的尺寸效应,压入深度超过该长度时,尺寸效应将减弱,当压入深度分别超过4106、5645和4693 nm时,纳米压痕尺寸效应将消失。     

硅化镍对镍硅合金表面气体渗硼层硬度、弹性模量和断裂韧性的影响

在N2?H2?BCl3气氛下对镍硅合金进行两级气体渗硼(910℃、2 h)制备双区硼化层.显微组织由两种具有不同相成分的区域组成.外层区域仅含有硼化镍的混合物(Ni2B,Ni3B),内层区域除了硼化镍还含有硅化镍(Ni2Si,Ni3Si).研究硅化镍的存在对镍基合金表面硼化层力学性能的影响.使用带有Berkovich金...     

基于分子动力学单晶硅的纳米压痕过程研究

基于分子动力学的基本理论,在微纳米尺度下建立了单晶硅的纳米压痕分子动力学模型。研究了在纳米压痕过程中单晶硅基体的变形机理、势能变化和温度变化。研究发现:在纳米压痕过程中基体上出现了位错、空位及滑移带,基体两侧有凸起现象。当压头撤离时,基体与压头间存在颈缩现象。在系统达到平衡时系统的势能出现不同,这是因为原子位错运动使得系统增加的势能小于压头原子所做的功。温度的变化与位错变形的程度相关,位错变形越剧烈系统温度升高的越快。     

离子注入剂量对工程塑料表面纳米硬度的影响

研究了离子注入剂量和剂量率对工程塑料表面纳米硬度提高效果的影响，分别将不同剂量的C离子注入尼龙6和PET以及Al离子注入PPO，并将不同剂量率的Al离子注入PET。纳米硬度测量显示：随着注入剂量和剂量率的增加，尼龙6、PET、PPO的纳米硬度升高；未注入以及低剂量和剂量率注入塑料的载荷一位移曲线呈现弹塑性变形特征，而高剂量和剂量率注入的呈现出弹性变形特征。     

LPBF成型加Ti铝基合金的组织特性及其对纳米硬度的影响

论述了在激光粉末床熔融（LPBF）成型Al基合金中添加Ti的影响。采用扫描电镜、电子背散射衍射、X射线衍射、透射电镜和纳米压痕测试等方法,研究了Ti含量为3%（质量分数,下同）和不含Ti的LPBF制备样品的显微组织特征、相分布和纳米硬度。结果表明,该方法可获得较细的晶粒组织和较小的平均晶粒尺寸。由于Al₃Ti析出相的非均相形核,晶粒尺寸范围减小到2.5 μm以内。随着小角度晶界的增大,晶格畸变能增大,平均纳米硬度和杨氏模量分别提高到2.36 和92.72 GPa。添加3% Ti后,LPBF处理的Al基合金<100>织构略有增强,但仍有一个随机的晶体取向。获得了α-Al向Al₃Ti的相变。     

摩擦系数对仪器化压入测试结果影响的有限元分析

针对材料弹性模量仪器化压入识别的两种代表性方法——Ma方法和Oliver-Pharr方法,应用有限元数值模拟,分析了金刚石压头与具有典型加工硬化特性的金属类被测材料之间接触面摩擦系数对弹性模量识别精度的影响,分析结果表明:摩擦系数介于0～0.2范围时,采用两种方法,弹性模量识别精度对摩擦系数的变化较敏感;摩擦系数大于0.2之后,两种方法对摩擦系数变化的敏感性降低,弹性模量的识别精度趋于稳定.对两种方法的测试精度进行比较可以看出,Ma方法测试结果的精度和相对于摩擦系数变化的稳定性均好于OliverPharr方法,仪器化压入实验应使用Ma方法识别材料的弹性模量.两种铝合金材料的实验数据表明,将摩擦系数对测试结果的影响进行修正,可有效提高Oliver-Pharr方法弹性模量的识别精度.     

Ti-Mo-Zr-Fe合金的微观结构与纳米压入特性的关系

通过不同的热处理制度控制TMZF合金中的相组成和含量，利用XRD分析确定各种相结构。利用纳米压入测量仪测试了不同组织结构下的硬度和弹性模量。结果表明，当合金中存在ω相时，合金的的硬度和弹性模量最高，随着热处理温度的提高，合金中的ω相消失，代之而来的是α相，而且越接近β转变温度，α相含量越少，对应的弹性模量和硬度越来越低。对于Ti—Mo—Zr-Fe合金来说压入性能（硬度、弹性模量）与相成分之间存在着良好的匹配关系。     

梁三点弯曲法测量薄膜弹性模量

用电刷技术在不锈钢基体一侧表面上刷镀了Cu膜，用电镀技术在不锈钢基体一侧表面或双侧表面上制备Ni膜。用梁三点弯曲法在自制的设备上测量不锈钢基体以及不锈钢基体上不同厚度Cu膜和Ni膜的弹性模量E。研究表明：在测量的膜厚范围内(7μm-15μm)，Cu膜和Ni膜的弹性模量E不随膜厚变化，并且接近各自块材的弹性模量。     

Cu-Au多层膜力学性能的纳米压痕测试

采用纳米压痕仪研究了Cu-Au多层膜的硬度、弹性模量及其在压头下的变形行为。结果表明,随单层膜厚度(h)的减小,Cu-Au多层膜的弹性模量略有减小。Cu-Au多层膜的硬度随单层膜厚度的减小而增加,当h≥50 nm时,硬度随 线性增加;当h<50 nm时,硬度与 偏离了原来的线性关系,且硬度随 的增大而增大的趋势开始弱化。在单层膜厚度为25 nm的Cu-Au多层膜的压痕附近,出现了“挤出”和剪切带。     

3J21合金简化本构关系的建立及其纳米压痕试验

为进一步研究3J21合金在塑性成形过程中的微观组织演变规律和强化机理,结合3J21合金在电子万能材料拉伸试验机上进行单轴拉伸试验所得的数据,建立了以应变ε和应变硬化指数n为基本参数的3J21简化Johnson-Cook本构关系方程。借助3J21合金的纳米压痕试验,测定该合金的弹性模量,并利用所建的本构关系方程对纳米压痕试验进行有限元模拟,模拟结果和压痕试验所得的载荷-压深曲线有较好的吻合。建立的简化本构关系可较好地描述3J21合金在常温准静态应变率试验条件下的应力应变特征。     

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为了探讨高温合金微区相的力学性能,利用纳米压痕仪对镍基定向高温合金中沿柱状晶及垂直于柱状晶方向的共晶γ’相和枝晶干进行纳米压痕测试。结果表明:对于镍基定向凝固高温合金,沿着柱状晶<001>方向和垂直于柱状晶方向,共晶γ’相的硬度和弹性模量均明显大于枝晶干;另外,对于共晶γ’相和枝晶干,无论是平均弹性模量还是平均硬度,沿着柱状晶<001>方向都比垂直于柱状晶方向的小。     

钢的高温弹性模量E值的测定研究

介绍了根据实际生产需要测试20#钢的高温弹性模量E值的方法和依据的原理、试件的设计、加热温度设定和试验结果。     

低弹性模量钛合金用于钛烤瓷的力学分析

钛与烤瓷结合强度的不足制约了临床上钛瓷修复体的应用,本研究尝试引入低弹性模量钛合金烤瓷的概念,并用力学计算方法对金瓷界面承受剪切、中部弯曲载荷等破坏条件予以模拟和分析论证.结果表明,低弹性模量钛合金在承受剪切作用力时界面应力水平低于纯钛6%以上,在承受中部弯曲载荷条件下低弹性模量钛合金需要增加金属基底厚度(>2 mm)才能获得较好的刚度和应力分布,在临床条件下可以满足这一厚度要求.