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。     

面心立方金属材料压入初期突变现象的位错机制

接触应力是引发金属构件形变与失效的重要来源之一。为了理解材料的力学行为与失效机制,研究者对接触条件下位错的产生与运动开展了大量研究。然而由于实验技术的限制,对接触初期塑性变形机理的认识仍较为薄弱。近年来得益于原位表征和高测试精度的优点,仪器化纳米压入技术被陆续地应用于研究材料接触初期变形行为,尤其针对面心立方结构(FCC)的金属材料,结合模拟分析与微观表征,大大促进了对相关位错行为的理解。因此,在简要介绍仪器化纳米压入技术的特点、模型及应用的基础之上,首先,介绍了纳米压入接触初期载荷-位移曲线的突变现象,讨论了其与位错行为的关系;其次,重点以面心立方金属材料为对象,从位错萌生和位错运动与反应两个方面分别介绍了二者与突变现象的关系,并结合文献报道,详细讨论了压入过程位错萌生的影响因素,以及位错运动与反应机制;最后,进行了总结和展望,提出借助多种先进实验和模拟方法的交叉使用,将有助于揭示接触条件下的位错行为,从而为仪器化纳米压入技术的发展和理解接触条件下金属材料的变形与失效提供理论基础。