传统压痕法识别陶瓷材料断裂韧性的有效性研究

基于虚拟裂纹闭合法对传统压痕法测试陶瓷材料断裂韧性的数值模型进行计算,以此为基础,分析比较传统压痕法的几种典型公式识别陶瓷材料断裂韧性的测试误差和所测材料的适用范围。结果表明:传统压痕法的Anstis公式较Evans公式,Lawn公式,JISR公式和Niihara公式,在材料比功0.3≤We/Wt≤0.45时所测断裂韧性值与理论计算值较为接近,其最大误差为12.9%,测试结果相对准确;当0.45We/Wt≤0.7时,传统压痕法对陶瓷材料断裂韧性的测试误差随比功增加迅速增大,特别是当We/Wt=0.7时,Anstis公式,Evans公式,Lawn公式,JISR公式和Niihara公式所测断裂韧性值与理论计算值的最大误差分别为70%,148.5%,48.8%,98.7%和166.6%,在此材料比功范围内传统压痕法所测断裂韧性值误差较大。     

基于Vickers压痕的金属材料塑性参数压入测试方法

在传统压入实验中引入压痕中边距与名义中边距之比,并利用量纲分析及有限元数值仿真方法确定Vickers压入硬度HV及压痕中边距与名义中边距之比与材料弹塑性参数间的无量纲函数关系,提出一种基于Vickers压痕的金属材料塑性参数压入测试方法。对已知弹性模量的金属材料,该方法可对应变硬化指数n、条件屈服强度σ0.2及强度极限σb进行测试,对4种金属材料的压入实验结果表明,该方法对金属材料塑性参数的测试精度满足工程需要,验证方法的有效性。     

用于测量陶瓷断裂韧性的Vickers和Knoop压痕裂纹技术

采用 Vickers 压痕裂纹测量法或 Knoop 压痕～强度法等压痕技术进行了陶瓷的断裂韧性测量。反应烧结 Si_3N_4,热压 Si_3N_4和 SiC 等结构陶瓷用于研究显微结构非均质性和热残余应力对断裂韧性值的影响。人工水晶用于研究晶体学取向和断裂韧性之间的关系。研究发现,Knoop 压痕～强度法比 Vickers 压痕裂纹测量法更适合于非等轴晶系的晶体断裂韧性测量。其原因是 Knoop 压痕的主裂纹和缺口试样的裂纹都沿着同样的晶面扩展,而 Vickers 径向裂纹对却须沿着相互正交的晶面扩展,仅其中的一个晶面与缺口试样的裂纹扩展面一致。在 Vickers 压痕裂纹技术的基础上,用以计算 K_(1c)值不含弹性模量 E 项的 Evans 式(21),似乎能显示出显微结构对 K_(1c)值的影响;含有弹性模量 E 项的 Evans 式(22),似乎能反映出残余热应力对 K_(?)值的影响。所有上述的陶瓷材料,除了反应烧结 Si_3N_4,其压痕和裂纹关系 a~2～C~(3/2)的线性回归相关系数都相当,甚至>0.99。这表明了 Vickers 压痕技术在测定陶瓷的断裂韧性方面具有一定的实用性。     

微纳米级键合强度分析(英文)

本文主要研究了微米/纳米尺度的键合技术和键合强度,给出并发展了基于MEMS技术的微米/纳米键合分析模型.为提取微米/纳米键合面积的最大剪应力和压应力,设计、制备和测试了一系列单晶硅悬臂梁结构.并使用理论公式和ANSYS有限元模拟对实验结果进行了分析.键合强度可以分为扭转和剪压表征两部分.根据测试值可得,最大抗扭强度为1.9×109μN.μm,最大压应力为68.3 MPa.     

一种钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕测试分析

采用纳米压痕测试技术对一种钠钙硅酸盐玻璃进行微观力学性能的测试分析.测得加载-卸载过程载荷与压入深度曲线,发现被测玻璃的最大压深、残余深度和弹性回复量随最大加载力的增加而增大,但其相对弹性回复率系数基本稳定,平均值为58.2%.通过电子显微镜观察了不同最大载荷下的压痕形貌,发现压痕区域出现了边界沉陷现象.当最大加载力为1 000 mN左右时,三棱锥工具头测试的压痕区域出现了较明显的微裂纹;采用四棱锥工具头时出现微裂纹的最大加载力要小于该值,且裂纹取向均与金刚石工具头的棱角取向一致.利用非线性有限元软件MSC.Marc对纳米压痕过程进行了仿真分析,得到载荷与压入深度的仿真曲线,该曲线与试验结果基本相符;分析了载荷作用下材料内部的应力分布.利用Oliver-Pharr模型得到不同压入深度下被测玻璃的接触刚度值,该值随压入深度的增加而增大.     

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。     

周向裂纹圆棒试样的断裂韧性测试方法研究

借助自制对中夹头和载荷分离法成功实现了周向裂纹圆棒试样的断裂韧性测试.基于有限元分析和柔度法得到了考虑弹性模量、试样直径、测试标距及裂纹深度等影响的统一裂纹长度预测公式;采用双引伸计测轴向位移、等面积法计算最终裂纹长度,解决了裂纹扩展偏心所带来的影响;有限元模拟分析证明了载荷分离理论适用于周向裂纹圆棒试样,并提出了几何函数G(a/R)的具体表达式;采用规则化方法获得了16Mn周向裂纹圆棒试样的JR阻力曲线.结果表明:由周向裂纹圆棒试样测得的结果与标准三点弯曲试样得到的结果接近,分散性小.     

C形环小试样疲劳裂纹扩展试验方法与应用

航空航天、核反应堆工程等重要工程结构的安全控制对材料断裂性能有重要需求,小尺寸试样断裂韧性测试需求日益凸显。该文提出了一套用于小尺寸构件疲劳裂纹扩展速率测试的C形环小试样试验方法,设计了试样构形和试验夹具,并基于有限元分析和柔度法理论,建立了C形环小试样裂纹长度预测公式和应力强度因子K的表达式。对于低压转子材料26NiCrMoV11-5钢,采用C形环小试样和标准CT试样完成了疲劳裂纹扩展试验,获得了材料的疲劳裂纹扩展特性,并讨论了新方法的有效性。     

钢棒／环氧压入试件界面端奇异应力场强度表征的试验测试

本文在分析压入试件界面端应力异性的基础上,针对钢棒／环氧复合材料的宏观尺度试件进行奇世 应力分析和断裂韧性的试验测试,求得了表征界面端断裂韧性的压入界面端临界应力强度因子。     

基于断裂力学的裂隙岩体强度分析初探

基于断裂力学讨论裂隙岩体的强度一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题。通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件,明确了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。使用复变函数和边界配置法求解了裂尖应力强度因子无量纲系数,进而对张破裂压剪准则进行了改进,使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂的预测。基于修正的压剪判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式,算例表明该文方法所建立的强度公式是准确、可靠的。最后,详细讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。