Vickers压入识别氮化硅断裂韧性

依据仪器化Vickers压入氮化硅断裂韧性实验获得的有关压痕裂纹参数,通过有限元数值分析方法识别出氮化硅的弹性模量和屈服强度,进一步采用虚拟裂纹闭合法确定其裂纹尖端的应力强度因子KI。以此为基础,与氮化硅断裂韧性标准值对比,分析有限元仿真KIC结果和基于L-E-M模型建立的3种典型陶瓷断裂韧性压入测试方法的准确度。结果表明:基于Vickers压入有限元数值分析结果的最大误差仅为2.38%,Anstis公式最大识别误差为2.65%,而Lawn公式和Miyoshi公式的识别误差的绝对值均超过10%,因此Vickers压入测试具有较高测试准确度。     

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。     

基于纳米压入法的Ti_((58-x))Cu_(42)Ni_x合金纳米力学行为研究

借助纳米压入测试方法,对Ti_((58-x))Cu_(42)Ni_x(x=0,5,10)合金进行测试,研究掺入不同含量Ni的Ti-Cu合金的纳米力学性能,采用压痕形成过程中塑性应变与总应变的比值来表征合金塑性。分别用Oliver-Pharr方法和基于压痕功修正算法对比分析实验结果,研究了压痕表面形态和合金力学参数。结果表明,随着Ti-Cu合金中Ni含量的增加,其塑性性能减弱,即弹性性能增强。在压入过程中Ti_(48)Cu_(42)Ni_(10)表面的凸起程度最大,Ti_(53)Cu_(42)Ni_5的凸起程度略小,Ti_(58)Cu_(42)凸起程度最小,且3种合金的耐磨性随着Ni含量的增加而变强。     

基于纳米压痕及区间优化的Al 2024-T3铝合金本构参数识别研究

纳米压痕实验由于试样准备简便、使用范围广等优势,在材料力学测试领域得到了广泛关注。本研究建立了一种考虑纳米压痕实验不确定性的Al 2024-T3铝合金材料塑性参数识别方法。首先,针对Al 2024-T3铝合金开展了纳米压痕实验,获取了载荷-位移曲线,由于材料存在不均匀性,所以实验曲线存在不确定性。基于超参数优化的人工神经网络,建立了材料性能参数与压痕响应加载曲线的关联。基于区间优化理论,引入压痕实验曲线的不确定性,以压痕实验曲线加载曲率为不确定性量,提出了基于双层嵌套遗传算法的材料参数反分析识别区间优化模型,并进行了参数识别反问题的求解。该方法的优势在于能够考虑到实验测量的不确定性,识别结果更可信。所建立方法的有效性在Al 2024-T3铝合金塑性参数识别中得到了验证,识别误差分别为：屈服应力-0.87%,硬化指数2.76%。该识别方法可用于小尺寸试样局部力学性能的检测领域。     

基于70.3°圆锥形压头的材料压入测试方法研究

依据压入理论和弹塑性接触有限元分析,提出了采用70.3°锥形压头完成压入测试并基于能量方法获取金属材料本构关系的方法(Constitutiverelationshipbasedonenergymethodofindentation,CR-EMI)。该方法揭示锥形压入能量比与Hollomon屈服应力之间存在线性律,结合该线性律和载荷P-位移h曲线实现了材料Hollomon模型参数求取;同时,提出采用Hollomon模型参数并基于能量方法预测布氏硬度的方法(HardnessbasedonEnergyMethodofIndentation,H-EMI)。通过对多种金属材料进行压入试验和有限元分析,验证了CR-EMI方法和H-EMI方法的有效性与精确性。     

纳米压痕仪的压头面积函数校准方法的比较研究

基于原子力显微镜的直接测量法和通过熔融石英标准样块校准的间接测量法对纳米压痕仪的压头面积函数及机架柔度进行校准,并将这2种方法的校准结果分别应用到熔融石英和聚碳酸酯2种标准样块的压痕测试。压痕实验结果表明,在较浅压入深度,直接测量法测得的硬度值和折合模量值比间接方法测得的结果准确,在较大压入深度,2种方法的测量结果相差不大。     

KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真

提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法。它采用压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶体的塑性特性参数。建立了KDP晶体塑性域切削的有限元模型,并用该模型仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程的影响。结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面质量可达到最佳值。研究还发现,当刀具刃口半径为80nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10nm-30nm之间,此时法向切削力与主切削力之比为0.96,该结论对KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义。     

确定纳米压入面积函数的改进方法

针对薄膜等微小结构材料力学性能测试面积函数测量问题,提出了一种改善微小压入深度下压头面积函数准确性的方法.该方法将压头与被测样品之间的投影接触面积与压头针尖曲率半径和角度相关联,解决常用的面积函数确定方法在50 nm以下浅压痕测量中不可靠的问题.经实验验证,该面积函数确定方法可以提高微小接触深度下压入硬度和折合模量的测...     

陶瓷材料维氏压痕形貌仿真与实验分析

基于有限元数值分析模型对陶瓷材料维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真.以Si3N4和ZrO2两种典型陶瓷材料为例,对其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和维氏硬度进行对比,结果表明,Si3N4和ZrO2的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长分别相差0.39％和-0.53％,维氏硬度分别相差-2.7％和4.2％.随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5,有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长分别相差0.28％和0.27％,维氏硬度分别相差0.14％和0.21％.此外,应用本方法对其他几种典型陶瓷材料(A12O3,ZTA,SiC,Silica)维氏压入有限元仿真计算值与实验真实测量值进行了对比,其压痕对角线半长分别相差1.14％,-0.57％,-0.89％,0.41％,维氏硬度分别相差-2.24％,1.12％,1.85％,-0.86％.据此可知,陶瓷材料维氏压痕形貌可由有限元数值仿真方法获得,从而解决了陶瓷材料维氏硬度测试过程中因压痕不够清晰导致的测量数据不准问题,为下一步探索基于仪器化压入响应识别陶瓷材料维氏硬度以及其他各力学性能参数提供技术基础.     

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.     

硅橡胶压磁复合材料力学性能纳米压痕实验研究

通过纳米压痕测试技术对非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜的力学性能进行了研究,讨论了加载速率、保载时间、峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响.进一步分析了纳米压痕实验表征非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜蠕变行为的可行性,通过合理确定压痕蠕变实验参数,获得该材料的蠕变应力指数.结果表明:相对峰值载荷,加载速率对测试结果影响更为显著,而保载时间对硬度和模量测试结果几乎没有影响.     

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。     

平头压头下基体对压痕规律的影响研究

本文通过对软薄膜/硬基体两相材料体系的平头压痕弹塑性模拟.重点研究了平压头压入过程中,不同屈服强度比(软薄膜屈服强度与硬基体屈服强度之比)以及不同压头尺寸下硬基体对压痕规律的影响.研究发现硬基体对压痕规律的影响与屈服强度比近似满足线性关系,且这种线性关系不随压头尺寸的改变而改变,相同压头半径下,屈服强度比越大,影响就越明显;相同屈服强度比下,压头半径越大,影响就越小.研究还发现压头压入过程中,材料的堆积对压入深度没有影响.     

化学强化铝硅酸盐玻璃表面微观力学行为的有限元模拟

采用有限元方法研究化学强化铝硅酸盐玻璃的表面硬度、模量等微观力学行为,并与纳米压痕实验结果进行对照.结果表明,通过有限元计算获得的纳米压痕载荷-位移曲线与实验结果吻合度良好,根据有限元模拟得到的载荷-位移曲线,采用Oliver和Pharr方法计算出的硬度和杨氏模量值与实验得到的硬度和杨氏模量值非常接近.模拟过程中采用了根据Larsson塑性公式计算出的铝硅酸盐玻璃屈服强度与塑性区域的应力应变关系,模拟结果与实验结果吻合度高说明根据Larsson塑性公式获得的铝硅酸盐玻璃塑性参数准确度较高.根据有限元模拟得到的应力分布情况,分析了铝硅酸盐玻璃在化学强化前后的弹塑性变形行为,结果表明化学强化产生的表面压应力层对铝硅酸盐玻璃的弹性区影响较大,对塑性区影响较小.     

基于原位纳米力学测试系统的单晶硅微观机械性能实验

在纳米硬度计上对单晶硅进行了微压痕测试实验,以对单晶硅的微观力学性能有所认识。微压痕测试表明:单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化;而在压入载荷大于2400μN后保持相对的稳定值(约为214GPa);单晶硅的表面硬度在压入载荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大,而后突然降低并保持相对的稳定值(13.5GPa~15GPa);单晶硅在纳米压入过程中,材料的破坏形式为脆性破裂,并且随压入载荷的增大而在压痕边沿产生堆积,堆积程度亦逐渐增大。     

460 MPa耐火钢高温硬度试验测试研究

为测定材料在高温下的维氏硬度,提出一种间接测试金属材料高温硬度的修正方法。首先,对高温环境下的试件表面进行压头压入实验,待冷却至室温后测量压痕尺寸,得到相应的维氏硬度值。然后,采用有限元方法,考虑材料力学性能的温度依赖性,对高温环境下的压痕形貌进行数值模拟,得到相应的维氏硬度计算值。结果表明,在高温时两者之间的偏差较为明显,例如600℃时相对偏差达14%。结合有限元的分析结果,最后给出维氏硬度偏差修正的计算公式,为较准确地测量460 MPa耐火钢材料在高温时的硬度提供参考。     

金属布氏硬度试验的测量不确定度评定

金属布氏硬度试验是用较大直径球体压出较大的压痕 ,用压痕表面面积与试验力之比计算出硬度值。该方法测出的硬度值比较稳定、精度高、操作简单。试件的制备较其他力学试样和硬度试样容易。试验误差来源于试验力、压头、压痕测量装置、试样、试验力保持时间等 ,评定测量不确定度以知晓试验结果的可信度。1　试验方法1 1　原理将一定直径球体压入试样表面 ,保持一定时间后卸除试验力 ,用压痕表面面积与试验力之比计算出硬度值 ,即 :ＨＢ =ＦＳ =ＦπＤｈ=2ＦπＤ(Ｄ -Ｄ2 -ｄ2 )式中　Ｆ为试验力 ,Ｎ ;Ｓ为压痕表面积 ,ｍｍ2 ;Ｄ为球体压头…     

硅橡胶压磁复合材料力学性能纳米压痕实验研究

通过纳米压痕测试技术对非晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉/硅橡胶压磁复合材料薄膜的力学性能进行了研究, 讨论了加载速率、 保载时间、 峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响。进一步分析了纳米压痕实验表征非晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉/硅橡胶压磁复合材料薄膜蠕变行为的可行性, 通过合理确定压痕蠕变实验参数, 获得该材料的蠕变应力指数。结果表明: 相对峰值载荷, 加载速率对测试结果影响更为显著, 而保载时间对硬度和模量测试结果几乎没有影响。     

Na-Ca-Si玻璃的微塑性

作为脆隆材料的 Na-Ca-Si 玻璃,其纤维的应力应变曲线明显地偏离完全弹性,用Vickeis 金刚石尖压痕研究 Na-Ca-Si 玻璃时,也发现许多偏离弹性的现象。如:压痕痕迹不消火,压痕丧丽上出现凸起~([1]),压痕下而出现位错线~([2])。本文设计了一种新的试验,用 Vickers 压痕研究 Na-Ca-Si 玻璃的微塑性。     

纳米/微米结构Al2O3-ZrO2复相陶瓷韧化力学

通过对纳米/微米结构A12O3-ZrO2共晶复相陶瓷的Vickers压痕测试、SEM观察与XRD分析,发现该陶瓷裂纹属于中位裂纹系统,诱发该复相陶瓷中位裂纹扩展的压痕压制载荷临界值为30 kg,复相陶瓷的裂纹扩展主要受纳米/微米相晶内型结构所控制,纳米/微米相增韧机制决定着该陶瓷的韧化力学.