残余应力对固体氧化物燃料电池弹塑性性能的影响

半电池结构NiO-YSZ/YSZ由于弹性模量不同和热膨胀系数不匹配,导致烧结过程中产生残余应力. 残余应力对于燃料电池的性能和使用带来一定的影响, 本文把残余应力引入到计算薄膜性能的逆向分析模型中, 建立了考虑残余应力影响的薄膜的纳米压痕分析模型. 利用纳米压痕方法测试了离双层材料界面不同距离处的载荷-位移曲线和相应的材料性能, 用本文建立的模型计算了不同点的性能的变化, 发现离界面越远, 电解质YSZ薄膜的硬度越大. 将热力分析得到的残余应力场作为压痕模拟的初始应力场, 计算三棱锥压头下压痕载荷-位移曲线, 结果显示考虑残余应力时的载荷-位移曲线更接近实验曲线, 并给出了残余应力下压痕形貌图, 发现有残余应力时的压痕形貌更深更大.     

反向法确定钨合金基体细观性能及其宏观验证

为了确定钨合金基体相的细观性能,采用纳米压痕实验测试了钨合金材料中基体相的细观硬度与弹性模量.利用反向确定法给出了钨合金材料中基体相的细观弹、塑性性质,根据纳米压痕实验中得到的载荷-位移关系,通过三维有限元计算给出了基体相的原位细观屈服强度和硬化模量.为探讨反向法确定钨合金基体细观性能的有效性,采用宏观实验给出了其宏观验证.宏观验证结果表明,用反向法确定钨合金基体材料的细观弹、塑性性质是可靠的.     

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米硬度实验研究

介绍了纳米压痕技术的原理和方法.采用三角锥形Berkovich金刚石压头对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的超光滑表面(Ra=0.079 nm)进行了纳米压痕实验.结果表明,当载荷低于300 mN时,微晶玻璃表现出延性特性.此外,在不同的载荷条件(20 mN~300 mN)下微晶玻璃的硬度和弹性模量存在较大的差异,分析其原因分别是纳米压痕的尺寸效应和材料发生了塑形变形.通过将实验得到的微晶玻璃的纳米硬度值与传统计算方法得到的硬度值进行比较,发现传统方法得到的硬度值较大,其原因是传统硬度计算方法忽略了材料的弹性恢复.     

纳米压痕法测量残余应力的研究现状

概述了纳米压痕技术测量构件残余应力方面的理论知识,回顾了纳米压痕技术的测量原理,包括硬度、接触面积、接触刚度及弹性模量的计算。将纳米压痕测试计算残余应力的模型分为两大类,并重点对以载荷-位移曲线为依据推导出的残余应力计算模型(如Suresh、Lee、Swadener等模型)的分析过程以及它们在实际应用上的优缺点进行了介绍,同时展望了纳米压痕法测量残余应力未来的发展方向。     

C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。     

基于压入试验的材料硬化指数及弹性模量计算方法

为深入研究压入实验在测量材料局部力学性能上的应用,采用ABAQUS有限元模拟结合压痕理论,以RO关系为材料本构模型获得通过压痕响应获得材料硬化指数以及弹性模量的经验公式。通过结合有限元数值模拟,避免物理实验在数据测试阶段的误差,通过研究压入实验卸载段得到能够表征弹性模量的独立参量,另外新引入载荷-位移曲线在对数坐标系的表达,在压痕响应中提取出以硬化指数为单一变量的特征量,将弹性模量的计算与硬化指数独立,得到更加精确的计算结果。经过对理想数学模型以及实验数据进行验证,均能够在有效误差范围内得到合理的硬化指数及弹性模量数值。     

化学钢化前后玻璃表面裂纹扩展的实验比较与数值模拟

本工作对手机超薄盖板玻璃表面裂纹萌生及扩展过程进行了实验比较和数值模拟。结果表明：对于未经化学钢化处理的玻璃，在载荷为9.80 N的情况下，裂纹萌生时间为压痕出现后30 s；而对于化学钢化玻璃，即便在严苛环境条件下，在9.80 N的载荷作用下，缺陷压痕处未发现裂纹。ABAQUS数值模拟结果表明：（1）最大主张应力位于压印缺陷的四角，并沿径向向外扩展；（2）化学钢化玻璃的最大主张应力比未经化学钢化的玻璃低465 MPa。数值模拟得到的最大主张应力位置与实际裂纹萌生位置一致。对玻璃表面裂纹扩展行为的认识有助于高强度超薄盖板玻璃的研发。     

超临界机组给水泵汽轮机挠性支承结构稳定性计算与实验研究

给水泵汽轮机挠性支承结构的稳定性关系着整个发电机组的安全运行。该文首先分析了某公司1000MW等级给水泵汽轮机挠性支承结构的力学边界条件;其次,根据材料力学压杆稳定性理论对挠性支承结构进行模化,并设计了模化结构具有初始偏心位移的稳定性实验;然后,利用三维有限元软件ANSYS 11.0对实验结构进行了非线性稳定性计算;最后,将实验结果和有限元计算进行比较。结果表明:计算所得的不同初始偏心位移下的载荷-位移曲线与实验结果基本吻合,挠性支承结构的临界载荷随着初始偏心位移的增大而减小。通过模化结构的实验与有限元计算,验证了挠性支承结构非线性稳定性的有限元计算方法,为实际结构的有限元计算和给水泵汽轮机整体稳定性分析提供了有力支撑。     

基于EBSD方法测定单晶Cu纳米压痕的各向异性实验

为研究单晶Cu材料的各向异性力学特性,针对单晶连铸技术制备的单晶Cu,采用电子背散射衍射(EBSD)法对其3个不同晶粒的晶面进行定向,利用原位纳米压痕仪在不同晶面进行不同压入载荷的纳米压痕实验.通过EBSD分析,发现用单晶连铸技术制备的单晶Cu在拉拔方向上具有较强的择优取向,单个晶粒较大,且晶粒内部没有(亚)晶界存在.纳米压痕实验结果表明单晶Cu样件在各种压痕载荷下的约化模量为50 GPa～120GPa,材料的晶体取向对纳米压痕载荷-位移曲线和约化模量有很大影响,面(032)比面(119)和面(041)有更大的约化模量.不同载荷下,硬度值在0.8 GPa左右变动,晶体取向对硬度的影响较小.实验所得单晶Cu各晶面约化模量与采用金属弹性力学理论计算所得数值吻合较好.     

块状金属玻璃Zr55Cu30Al10Ni5的微压痕尺寸效应

本文根据Drucker-Prager屈服准则建立了适用于压敏材料的低阶应变梯度塑性(CMSG)理论。在此基础上,通过ABAQUS用户自定义材料子程序(UMAT)接口,建立了CMSG理论本构关系的有限元计算格式,结合该子程序对块状金属玻璃Zr55Cu30Al10Ni5的圆锥压痕响应进行了数值模拟,分析了不同压痕深度和压敏系数的影响。计算结果与实验数据吻合较好,表明该理论可以很好地描述金属玻璃Zr55Cu30Al10Ni5等一类材料的弹塑性行为。计算结果显示Zr55Cu30Al10Ni5的硬度随着压痕深度的增大而减小,由此说明基于Drucker–Prager屈服准则的CMSG理论可以很好地预测金属玻璃Zr55Cu30Al10Ni5在微尺度下表现出来的压敏尺寸效应。