TC17钛合金的微观力学性能研究

采用微米压痕测试仪对TC17钛合金进行压痕实验,对比研究了不同处理制度下的微观力学性能。基于获得的压痕载荷-位移曲线,采用Oliver-Pharr(OP)方法计算了显微硬度及杨氏模量,分析了加载过程中材料的性能随压痕深度的变化。结果显示:当压入深度小于一定值时,硬度和弹性模量变化较大,均随压入深度的增加而减小,表现出明显的尺寸效应;当压入深度超过一定值后,硬度和弹性模量趋于稳定。对比发现:处理制度对材料性能有明显影响。     

基于原子力显微镜的薄膜原位压痕力学性能研究

基于原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)建立了一套原位纳米压痕测试系统。该系统可以实现控制带有金刚石(Cube corner)压头的AFM微悬臂梁对样品进行压入实验,并得到载荷-位移曲线,同时可以对压痕过程进行原位SEM实时观察。发展了一种基于AFM微悬臂梁加载和原位SEM压痕图像分析的力学性能测试方法,通过测量压入最大载荷和原位SEM测量压痕残余面积得到塑性薄膜的硬度和弹性模量。利用此方法对磁控溅射硅衬底上纳米晶银薄膜进行了压痕实验,并与Nanoindenter G200型纳米压痕仪实验进行对比研究。结果表明,原位AFM压痕方法具有高的载荷和位移分辨率,可以实现纳牛至微牛级的压痕实验,通过测量压痕面积得到塑性薄膜的硬度值,减小了使用Oliver-pharr方法中软膜硬基底上凸起(Pile-up)效应的影响,计算结果也具有好的测试精度和可靠性。     

金属材料弹塑性参数仪器化聚集式Vickers压入识别方法

选用单一Vickers压头对被测材料实施压痕具有特殊位置关系的三次仪器化压入实验,根据第三次载荷-位移曲线和初次载荷-位移曲线提出一个独立的仪器化压入响应参数-第三次和初次仪器化压入比功之比[(W_e/W_t)_3/(W_e/W_t)_1]。基于量纲分析和有限元仿真,建立初次仪器化压入比功(W_e/W_t)_1、第三次和初次仪器化压入比功之比[(W_e/W_t)_3/(W_e/W_t)_1]、初次仪器化压入名义硬度H_0与材料弹塑性参数之间的无量纲函数关系,并以此为基础建立了金属材料弹塑性参数仪器化聚集式Vickers压入识别方法。该方法仅利用单一Vickers压头便可识别被测材料的应变硬化指数n、弹性模量E、条件屈服强度σ_(0.2)和强度极限σ_b,并且通过实验验证了此方法的有效性。     

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.     

圆柱平压头压电陶瓷压痕过程中接触应力和电场的奇异性

采用有限元方法,针对横观各向同性压电材料进行轴对称纳米压痕的机电耦合响应数值仿真。结果表明：当压入过程中不施加预设电压,压痕载荷与压痕位移之间呈线性关系;导电压头上电势与压痕位移也呈现相似关系,压头边缘附近的接触应力和电场存在奇异性,且二者均随压头下固体厚度呈指数变化。通过对不同压痕深度和材料厚度下,从压头内部到接触边缘向应力、法向电势和切向电势分布情况的拟合公式得到了不同压电材料厚度下电场和应力场的奇异常数,并对其变化规律进行了分析。     

基于纳米压痕逆算法的热冲压马氏体/贝氏体双相组织的微观力学性能

为研究高强度钢热冲压后微观组织(尤其是多相微观组织)的力学性能及本构关系,首先通过控制冲压时的模具温度和保压时间获得包含全马氏体、全贝氏体以及马氏体/贝氏体混合组织的试件.然后利用纳米压痕实验获得不同微观组织的载荷-位移曲线,并采用纳米压痕逆算法进行量纲分析计算出上述微观组织的弹性模量、屈服强度、应变硬化指数等力学性能...     

基于Vickers压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入识别方法

针对Vickers压痕提出了一个独立的仪器化压入响应参数-Vickers压痕中边距与名义中边距之比d/dn,用于衡量Vickers压痕鼓凸/沉陷程度。基于量纲分析和有限元数值仿真,建立了Vickers压痕中边距与名义中边距之比d/dn、仪器化压入名义硬度Hn、仪器化压入比功We/Wt与金属材料弹塑性参数之间的无量纲函数关系式,以此为基础,建立了基于Vickers压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入识别方法。该方法仅利用单一Vickers压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及Vickers压痕,即可确定金属材料的弹性模量E、应变硬化指数n、条件屈服强度σ0.2和强度极限σb。并且,通过实验验证了该方法的有效性。     

磁脉冲胀形管件材料本构参数识别方法

磁脉冲自由胀形后的管件沿轴向材料分布不均匀,且由于其特殊的几何形状无法通过单向拉伸试验获取其材料参数。为获取磁脉冲胀形管的材料参数,提出了一种基于显微压痕试验的磁脉冲自由胀形管件材料参数的获取方法,整个材料参数获取过程包括显微压痕试验、显微压痕试验有限元模型的建立及验证和基于多岛遗传算法(MIGA)的计算反求3部分。通过显微压痕试验获取胀形管轴向不同位置点处的载荷-侵入量曲线,然后通过改变显微压痕有限元模型中的材料参数使仿真得到的载荷-侵入量曲线不断逼近试验的载荷-侵入量曲线,当两曲线在最小二乘意义上达到误差最小时,由仿真得到的材料参数即被认为是真实的材料参数。最后,将反求得到的不同位置点的材料参数整体代入到磁脉冲自由胀形管轴向压溃仿真中,通过比较轴向压溃仿真与轴向压溃试验的变形模式以及力-位移曲线、峰值力、平均力、总吸能等参数来验证参数的准确性。     

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。     

基于Berkovich压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入识别方法

针对Berkovich压痕提出一个独立的仪器化压入响应参数-中边距与名义中边距之比d/dn,用于衡量压痕鼓凸/沉陷程度。基于量纲分析和有限元数值仿真,建立中边距与名义中边距之比d/dn、名义硬度Hn、比功We/Wt与金属材料弹塑形参数之间的无量纲函数关系式,并以此为基础建立了基于Berkovich压痕的金属材料弹塑形参数仪器化压入识别方法。该方法仅利用单一Berkovich压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及Berkovich压痕即可确定金属材料的弹性模量E、应变硬化指数n、条件屈服强度σ0.2及强度极限σb。4种常用金属结构材料弹塑性参数的仪器化压入识别结果验证了该方法的有效性。     

Interests and limitations of nanoindentation for bulk multiphase material identification: Application to the β phase of Ti-5553

This paper focuses on the numerical modeling of nanoindentation tests. The first goal of this study is to collect essential material parameters and boundary conditions from the literature and to complete the data required to accurately model nanoindentation tests. The second goal of this study consists in validating the material parameters identified from macroscopic tensile tests of the body-centered cubic β phase of Ti-5553, a new generation of titanium alloy. This validation is performed looking at experimental and numerical nanoindentation curves obtained for different grain orientations.     

一种低碳低合金钢的纳米压痕表征

对具有两种不同组织状态的一种低碳低合金钢进行了纳米压痕表征．结果表明,在双相组织试样中,马氏体的硬度高于铁索体的70％以上．在纳米压痕实验过程中,由于马氏体相的尺寸较小并被软的铁素体基体所包围,当压痕深度超过40nm时,纳米压痕硬度呈现出明显的基底效应．由于在铁索体一奥氏体两相区加工过程中发生C元素向奥氏体的分配,双相组织试样中的马氏体中富集了数倍于钢的名义含量的C元素．结果导致双相组织试样中马氏体的平均纳米压痕硬度比同一钢的全马氏体组织试样高出30％以上．此外,还讨论了C的富集分配对马氏体Poisson比和Young’s模量的可能影响．     

Influence of surface-roughness on indentation size effect

During nanoindentation of a material with a naturally rough-surface, a flattening of the rough-surface is additionally accomplished compared to nanoindentation on a flat surface. By separating analytically the work expended to flatten the rough-surface and to deform the flattened surface, we develop here a new rough-surface indentation size effect (ISE) model. This new model is applied to nanoindentation results for three Ni samples of different surface-roughness and the applicability of the model is discussed in terms of a critical contact depth for the surface-roughness effect on ISE.     

基体对氮化钛膜的微力学和摩擦性能的影响

采用等离子电弧沉积法分别在GT35和40CrNiMo钢上沉积厚约为0．5μm的TiN膜。为了检测成膜质量，在较宽的载荷范围内分别使用显微硬度、纳米压痕和纳米划痕技术表征钢基材和TiN／基材的微力学和摩擦性能。同TiN／40CrNiMo相比，TiN／GT35的硬度高和固体润滑效果显著，GT35是较为理想的基体材料。对这种亚微米厚的膜，纳米压痕技术和纳米划痕技术能提供丰富的近表面的弹塑性变形、断裂和摩擦等的信息。     

Elastic anisotropy of polycrystalline Au films: Modeling and respective contributions of X-ray diffraction,nanoindentation and Brillouin light scattering

Elastic properties of non-textured and {1 1 1}-fiber-textured gold thin films were investigated experimentally by several complementary techniques, namely in situ tensile testing under X-ray diffraction (XRD), nanoindentation and Brillouin light scattering (BLS). Specimens were probed along different directions to reveal the strong effects of elastic anisotropy at the (local) grain and (global) film scales. XRD allows the investigation of both local and global anisotropies, while BLS and nanoindentation are limited to global analyses. A micromechanical model, based on the self-consistent scheme, and accounting for the actual microstructure of the films, is applied to interpret experimental data. Although different types of elastic constants can be determined with the used experimental techniques (static/dynamic, local/global), a good agreement is obtained, showing that comparison of these techniques is feasible when carried out carefully. In particular, the use of a micromechanical model to estimate the effects of the local elastic anisotropy at the film scale is unavoidable. The presented results show that XRD, BLS and nanoindentation should capture anisotropic texture effects on elastic constants measurements for materials with a Zener anisotropy index larger than 2. Conversely, the actual texture of a given specimen should be taken into account for a proper analysis of elastic constants measurements using those three experimental techniques.     

NUMERICAL SIMULATION FOR MEASURING YIELD STRENGTH OF THIN METAL FILM BY NANOINDENTATION METHOD

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＹＩＥＬＤＳＴＲＥＮＧＴＨＯＦＴＨＩＮＭＥＴＡＬＦＩＬＭＢＹＮＡＮＯＩＮＤＥＮＴＡＴＩＯＮＭＥＴＨＯＤ①ＭａＤｅｊｕｎ，ＸｕＫｅｗｅｉ，ＨｅＪｉａｗｅｎＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ...     

Influence of indenter angle on cracking in Si and Ge during nanoindentation

The influence of indenter angle on the nanoindentation cracking behavior of single crystal Si and Ge was systematically explored through nanoindentation experiments with a series of triangular pyramidal indenters with different centerline-to-face angles in the range 35.3–85.0°. The relationships between indentation load, crack length and indentation size and their dependence on indenter angle were carefully examined and compared with previous indentation cracking studies. The results are discussed in terms of ways to estimate fracture toughness and indentation cracking threshold loads more precisely through nanoindentation.     

High-temperature nanoindentation: New developments and ongoing challenges

High-temperature or elevated-temperature nanoindentation testing presents an additional capability in nanoindentation techniques, which have demonstrated tremendous potential in the study of nanoscale mechanical behavior. However, to be able to conduct nanoindentation under relevant service temperatures and to gain a better understanding of the fundamental materials physics, high-temperature nanoindentation must overcome such technical issues as heat management, thermal drift, and sample oxidation. This article presents the current state and history of high-temperature nanoindentation with a focus on recent research topics and available testing systems.     

纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用

综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性,要在合适的温度、湿度下进行压入实验,借助保载来消除一些可以避免的误差。阐述了压头的分类和选择原则,玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角,避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响,因此最常用的压头为玻氏压头;表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头;表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究,如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用,识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用,分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。在涂层制备过程中,制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能,涂层厚度远小于表面尺寸,硬度和弹性模量仍然存在各向异性,非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性,涂层内存在适量的残余应力数值和合...     

不同沉积温度对纳米Ti薄膜微观结构和残余应力的影响

本实验采用纳米压痕技术利用Suresh模型和Lee模型研究了直流磁控溅射制备薄膜时,不同基底温度对Ti薄膜内部残余应力的影响,并将其计算结果与曲率法测试结果进行比较分析。同时结合原子力和XRD对薄膜表面形貌和微观结构进行了分析。研究发现：Suresh模型的计算结果与曲率法测量结果更为接近,Lee模型更适合对Ti薄膜中的应力大小进行计算。计算结果表明：金属Ti薄膜表面晶粒随基底温度的增加先增大后减小,薄膜中的残余应力则由压应力转变为拉应力。