基于仪器化压入硬度和功测试材料杨氏模量的方法

应用量纲定理和有限元方法对仪器化压入响应进行了分析。结果表明:在仪器化压入硬度HOP(即Oliver-Pharr压入硬度)和联合杨氏模量Ec的比值与卸载功We和压入总功Wt的比值间存在近似的函数关系,即HOP/Ec=Γ(We/Wt),其中联合杨氏模量被定义为Ec=1/[(1-2ν)/E+1.32(1-i2ν)/Ei],且Ei,E和iν,ν分别为金刚石压头和被压材料的杨氏模量及泊松比。基于上述关系提出了由仪器化压入硬度和压入比功确定材料杨氏模量的新方法,同时分析了该方法的理论误差。通过试验表明该方法较传统Oliver-Pharr方法具有较高的测试精度。     

显微压入硬度试验的残余应力测定方法

将显微压入硬度试验应用到非均匀组织中残余应力的测定,从理论上推导和研究了非均匀组织中微区残余应力分布与其显微硬度的关系,并利用显微硬度测量技术进行实际测量验证,尝试解决微区残余应力测定的难题.对激光熔覆钴基合金层的计算结果显示,显微压入硬度法得到的残余应力分布数据与其他方法测得的激光熔覆层残余应力分布数据具有相同的变化趋势.     

材料维氏硬度仪器化压入方法准确度研究

针对仪器化压入测试识别材料维氏硬度的精度问题,该文采用有限元数值分析方法获得不同材料的维氏硬度理论计算值,以此为基础,分别对仪器化压入识别材料维氏硬度的3种代表性方法——"ISO方法"、"Kang方法"和"Ma方法 "进行理论精度分析,并进行实验验证。结果表明:1)3种方法识别的维氏硬度理论误差均随材料比功We/Wt增加呈先减小后增大的趋势;其中,"ISO方法"识别的维氏硬度值相比理论值普遍偏大,"Kang方法"识别的维氏硬度值相比理论值均偏小。2)"Ma方法"基于仪器化压入识别材料维氏硬度的理论误差最小,理论准确度相对较高。3)当被测材料的材料比功在0.01We/Wt0.3时,对应η和n不同取值下的3种方法各自识别的维氏硬度误差值较为离散;当0.3We/Wt0.85时则较为集中。该文工作,为下一步研究维氏硬度仪器化压入新方法提供一定的理论基础。     

陶瓷材料弹塑性参数仪器化压入测试方法研究

该文以典型陶瓷材料Si3N4和Al2O3为例,分别应用材料弹性模量仪器化压入测试中的两种代表性方法——Ma方法和Oliver-Pharr方法 ,对两种材料的仪器化压入测试结果进行计算。结果表明:Ma方法对陶瓷材料弹性模量的测试误差小于Oliver-Pharr方法。利用两种不同面角的四棱锥压头分别对Si3N4和Al2O3材料进行仪器化压入实验,并结合有限元数值分析方法,确定Si3N4材料的塑性参数(屈服强度σy=7 800 MPa和应变硬化指数n=0.02)和Al2O3材料的塑性参数(屈服强度σy=4 100 MPa和应变硬化指数n=0.025),从而为进一步研究陶瓷材料力学性能参数仪器化压入识别方法提供一定的理论基础。     

仪器化压入测量的计量研究概况

仪器化压入测量中的计量研究是保证测试结果准确性和可靠性的基础.介绍了仪器化压入测量的计量研究概况,讨论了现有国际和国家标准中的关键校准参数和校准方法.在回顾仪器化压入测量发展历程的基础上进一步讨论了该技术的最新发展趋势,依托升温/降温测量、便携式测量和大通量测量等亟需要开展的相应计量研究工作来支持这些新测量方法的研究和...     

自增强反应管残余应力的测试

介绍一种用Ｘ射线法测试自增强反应管残余应力的方法，并将试验结果与常用的镗削法加以比较，结果表明Ｘ射线法可以用于自增强管体的残余应力测试。     

获取材料应力应变关系的锥形压入新方法

采用自主研发的便携式压入设备,对材料平滑表面进行单调压入试验获得载荷—深度曲线,进而获得材料的单轴应力应变关系曲线。在等向强化、各向同性、单调加载条件下,基于能量原理和有限元分析提出应用双锥无卸载的压入载荷—深度曲线预测具有Hollomon律的材料应力应变关系半解析新公式。在有限元验证方面,根据不同材料的Hollomon律应力应变作为有限元本构关系条件获得的载荷—深度分析结果与压入载荷—深度关系吻合较好。在试验方面,通过压入载荷—深度曲线得到加载曲率,然后利用半解析新公式得到的材料单轴应力应变关系与单轴拉伸试验结果进行比较,结果表明新方法获取的材料应力应变关系和单轴拉伸试验结果有较好的一致性。     

粘接剂对直接粘贴芯片表面残余应力的影响

封装所导致的残余应力是电子器件封装和组装重点关注的问题。利用硅压阻传感器，原位实时地记录了不同粘接剂在FR4有机层压板衬底上固化过程中芯片表面的应力变化和残余应力的分布状况，研究表明，使用热膨胀系数较小的有机粘接剂粘贴芯片时，可获得较低的残余应力和相对优越的应力分布。该方法可作为芯片直接粘接时选择有机粘接剂的参照。     

材料应力-应变的球形纳米压入法研究进展

应力-应变(σ-ε)关系是材料设计和开发的重要指标。单轴拉伸与压缩实验是获得材料应力-应变关系的重要手段,然而受限于尺寸要求,它们难以应用于微纳米尺度下的表征。基于深度敏感的仪器化纳米压入仪具有高的载荷和位移精度,被广泛应用于研究微纳尺度材料的力学性能,例如弹性模量、硬度、应变速率敏感指数与蠕变参数等。近年来国内外研究者开展了从纳米压入的载荷-位移(P-h)曲线中直接获取材料完整σ-ε关系的研究,其中球形压头具有平滑与非自相似应力应变场,得到了广泛关注。球形压入分析的难点在于被压材料处于三轴应力状态,不均匀的应力应变分布使得压入应力与压入应变难以直接测量。为简化分析,研究者们提出了诸多定义,例如不同的压入应变、代表性应力和代表性应变定义等。其分析方法也纷杂各异,根据实现过程可大致分为经验物理法以及模拟分析法两大类。在经验物理法中,通过定义压入区域内代表性应力与代表性应变,并分别将它们近似为单轴塑性流变的应力与应变,从而实现P-h曲线到σ-ε关系的转换。该种方法简单易行且得到广泛应用,但其结果依赖于上述代表性物理量的选取与定义,并对实验测量精度非常敏感。在模拟分析法中,研究者首先通过模拟计算不同本构方程,假想材料的压入P-h曲线,然后建立其与本构方程参数之间的函数关系,以实现从实验P-h结果到材料σ-ε关系的反演分析。可见建立准确的函数关系是该方法的核心,常用的方法有量纲分析和曲线拟合两类,然而目前函数的稳定性和适用性仍是限制其广泛应用的重要因素。近年来,基于计算机科学与技术的快速发展,研究者们通过引入新型算法以智能的方式筛选材料力学参数,实现预测结果与实验值的最佳匹配,这类方法展现出了具大的发展潜力。综上,本文分别从经验物理法和模拟分析法综述了应力-应变关系的球形压入方法的研究进展,对压入基本概念模型、物理量的定义以及方法的建立进行了系统介绍,并对比了各自的优势和不足,以期为微纳米尺度下的力学研究提供实验和应用参考。     

Review of Instrumented Indentation

Instrumented indentation, also known as depth-sensing indentation or nanoindentation, is increasingly being used to probe the mechanical response of materials from metals and ceramics to polymeric and biological materials. The additional levels of control, sensitivity, and data acquisition offered by instrumented indentation systems have resulted in numerous advances in materials science, particularly regarding fundamental mechanisms of mechanical behavior at micrometer and even sub-micrometer length scales. Continued improvements of instrumented indentation testing towards absolute quantification of a wide range of material properties and behavior will require advances in instrument calibration, measurement protocols, and analysis tools and techniques. In this paper, an overview of instrumented indentation is given with regard to current instrument technology and analysis methods. Research efforts at the National Institute of Standards and Technology (NIST) aimed at improving the related measurement science are discussed.     

Progress in Thermoelastic Residual Stress Measurement

Abstract:  The possibilities of using thermoelastic stress analysis to measure residual stresses are assessed, particularly in the context of the effect of plastic strain on the thermoelastic output. Components manufactured from aluminium and steel were deformed so that they experienced a plastic deformation and in some cases, a residual stress. Thermoelastic data from the components were compared with data from geometrically similar undeformed components. According to well-accepted theory, the thermoelastic data from both components should be practically identical. The results from the deformed components show departures from those of the undeformed components; the possible reasons for this are discussed in detail. A practical application of cold-expanded holes used in aircraft structures is described and recommendations are made for possible future work.     

脆性涂层材料断裂韧性和残余应力压痕表征技术综述

多种多样的脆性涂层材料已成为航天航空、国防科技领域的核心关键材料,在国民经济中发挥了巨大作用。断裂韧性和残余应力是评估脆性涂层材料的重要力学性能指标。维氏压痕法是表征脆性涂层材料体系力学性能指标的有效方法之一,得到了广泛的应用。从涂层特点、压痕测试方法、力学模型、实验装备等方面综述了脆性涂层断裂韧性和残余应力压痕测试的研究进展,讨论了力学模型的特点和适用性,并对今后脆性涂层材料压痕表征研究进行了分析展望。     

对接试板焊接残余应力实测与数值模拟

使用压痕法对两副对接试板进行了表面焊接残余应力测试,并通过焊接有限元仿真获得了对接试板焊接残余应力分布规律,对比分析了表面残余应力实测和数值模拟结果。分析结果表明,焊接残余应力数值仿真结果和压痕法实测结果趋势一致,数值相差不大,残余拉应力峰值实测为599 MPa,仿真结果为597 MPa,表明数值模拟方法可预测焊接残余应力;焊缝及热影响区最大纵向残余应力属于拉应力,而最大横向残余应力为压应力,横向残余应力峰值低于纵向残余应力峰值;等效应力(Mises应力)峰值792 MPa,高于试板材料在常温下的初始屈服强度,表明该材料具有明显的加工硬化现象。     

铸件残余应力的测定和消除方法

介绍了铸件残余应力的产生原因、测定方法扣消除与预测的方法，重点阐述了几种残余应力的测定方法和数值模拟分析在残余应力预测中的应用。数值模拟分析现已成为一种普遍应用的残余应力预测方法。     

单晶材料X射线应力测定原理与方法

结合单晶X射线应力测定基本原理,通过必要的理论分析,对现有单晶应力测定方法进行必要的改进和优化。基于工程实际应用需要,精简了单晶应力测定步骤并拓宽其应用范围,即不需要事先精确已知200,只需改变空间方位角驴和驴,再通过多元线形回归分析方法即可计算出各应力分量。最后给出了单晶应力测定的典型实例,即对同一部位重复测定应力,证实测量误差不超过±20MPa,说明该方法具有较高的测量精度和可靠性。     

能量色散法在铁单晶应力测量中的应用

为了更精确地进行材料内部的应力测量,尝试了用能量色散法进行应力测量的模拟研究。模拟计算的结果分析表明：能量色散法进行应力测量的分辨率（3．9×10^-4）优于传统的应力测量方法的分辨率（101）,并且在波长选定的情况下,狭缝的宽度与试样厚度是影响结果的主要因素。     

曲面齿根X射线应力测试

采用X射线衍射法测试了小曲率齿根表面的切向残余应力,研究了通过限制X射线照射宽度降低曲面衍射效应的方法。结果表明:当照射宽度小于1/3齿根曲率半径时,可忽略曲面衍射效应的不利影响,确保X射线应力测试结果的可靠性。     

Modern Photoelasticity for Residual Stress Measurement in Glass

Abstract:  This paper gives a review of modern photoelastic technology for residual stress measurement in various glass articles, including glass articles of complicated shape. For residual stress measurement in axisymmetric glass articles, integrated photoelasticity is being used by many glass companies and research laboratories. In case of non-axisymmetric glass articles of complicated shape, photoelastic tomography is used. As for automotive and architectural glass panels used in buildings, surface stress can be measured with the mirage method. More complete stress analysis can be carried out with the scattered light method. The paper is illustrated by numerous examples.