基于分子动力学的纳米压痕形变过程模拟

采用分子动力学方法模拟了金刚石压头压入Fe基体的纳米压痕全过程．研究了加载和卸载时基体的原子组态、载荷一位移曲线以及位错的发射和变化．分析了基体的塑性形变机理．发现压人深度为0．69nm时出现位错．随压入深度的增加位错长大成环,基体塑性形变加剧．卸载过程中位错环不断减小,当压头恢复到起始位置后,基体中心残留有位错环,产生了永久塑性形变,位错环的存在是基体产生永久塑性形变的关键因素．     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

加载频率对材料缺口塑性区及残余应力影响的研究

加载频率对材料缺口塑性区及残余应力影响的研究表明：４０Ｃｒ钢调质和正火态随加载频率的提高，塑性变形传播速度减小，导致缺口根部塑性区尺寸度减少，塑性区尺寸的减小使得应变集中程度和应变梯度增加，使其表面残余压应力增加；而１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ钢固溶处理态随加载频率的提高未见有塑性区尺寸和表面残余应力发生变化．表明４０Ｃｒ钢调质和正火态缺口塑性区及残余应力存在加载频率效应，而１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ钢固溶处理未见有加载频率效应出现．显然，这与各材料状态所具备动态应力应变响应的能力有关     

细粒砂岩在循环加、卸载条件下变形实验

通过对细粒砂岩在不同位移速率、不同载荷水平时循环加、卸载条件下变形的演化规律的实验研究发现,细粒砂岩在循环加、卸载条件下的卸载曲线与加载曲线不相重合,将形成一封闭的塑性滞回环,且该塑性滞回环从第2次循环起几乎不发生变化.同时还发现,从第2次循环起,每次循环加、卸载完成后所产生的残余位移量也几乎接近于零.另外,对实验结果的综合分析还发现,随着位移速率的增大,载荷-位移曲线的斜率有逐渐增加的趋势,随着载荷水平的提高,第1次循环加、卸载完成后所残余的位移量将有所增加.     

铝合金型材的冲击压溃载荷特性研究

为了确定Riera公式中的压溃载荷,基于材料实验机和霍普金森压杆实验系统,对铝合金型材在轴向准静态和不同速度冲击加载作用下的静、动态压溃行为进行了研究,得到了多种尺寸和形状规格型材在静、动态压溃过程的载荷时间曲线,以及峰值压溃载荷和平均压溃载荷随冲击速度的变化规律.分析结果表明,Riera公式中的压溃载荷采用平均压溃力是较好的选择,铝合金型的动、静态压溃力的差异来自结构的横向惯性效应.通过量纲分析,在进一步整理实验数据的基础上得到了适用于准静态和冲击加载作用的铝合金型材统一的平均压溃力经验公式.     

Ti6Al4V合金的纳米硬度载荷依赖性实验研究

采用原位纳米测试系统对氮离子注入前后的Ti6Al4V合金试样进行纳米压痕实验,研究材料纳米硬度的载荷相关性和尺寸效应,及其在纳米尺度下材料的塑性变形过程。结果表明:纳米硬度具有明显的载荷相关性,在临界载荷Fc以下,随着载荷的增加纳米硬度呈线性增加;在临界载荷Fc以上,随着载荷的增加纳米硬度呈非线性减小,并稳定在一个值上。此外,纳米硬度随着压入深度的增加而减小,并且Ti6Al4V合金的纳米硬度极限载荷FH和稳定纳米硬度Hs分别为550μN和5.6GPa,而经过氮离子注入后的Ti6Al4V合金的纳米硬度极限载荷FH和稳定纳米硬度Hs分别提高到700μN和6.7 GPa。     

硬度对合金材料耐电压强度的影响

结合材料学与电子学的有关理论和实验方法，以铬青铜（１％Ｃｒ）和４０Ｃｒ钢为例，考察了合金材料硬度对其耐电压强度的影响．实验结果表明：合金材料的耐电压强度与其硬度、成分和显微组织等多种因素有关，将硬度的高低做为衡量其耐电压强度高低的唯一标准是不合适的     

铸造复合中锰奥氏体钢的耐磨性

研究了铸造复合中锰奥氏体钢在冲击磨料磨损条件下的耐磨性能。结果表明：铸造复合中锰奥氏体钢的耐磨性是高锰钢的５．４１倍。复合层中碳化物结构为（Ｃｒ,Ｆｅ）２３Ｃ６和（Ｃｒ,Ｆｅ）７Ｃ３,呈网状分布,具有抑制磨粒压入基体和阻碍磨粒对基体的切削作用。亚表层中介稳奥氏体发生应变诱发马氏体相变,转变能来源于外界冲击功,其值为４３４Ｊ·ｍｏｌ－１。     

恒扭矩工具组合式非标碟簧试验与数值分析

恒扭矩工具是一种运用在石油钻井领域的高效破岩工具,影响该类工具性能的关键因素是非标组合式碟簧的力学性能。采用Almen-Laszlo(A-L)法与有限元法(finite element method, FEM)对组合式碟簧按不同叠合片数、摩擦状态进行静力分析,得到载荷-变形曲线、等效加载/卸载刚度、功损比、极限载荷变化曲线;对组合式碟簧进行动态响应分析,得到在不同加载速率、预压量、载荷幅值、加载频率下的力学性能。结果表明:考虑大变形与塑性变形的有限元结果与试验结果吻合度更高,A-L法产生偏差与实际等效摩擦因数不在设定的标准区间内有关;考虑系统稳定性与阻尼耗能,优选出碟簧组的组合形式为4片叠合,最小对合单元预压量取3 mm,对合组数20组。研究结果对该类工具的研发具有科学的指导意义。     

单斜氧化锆晶体压痕的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法模拟研究了单斜氧化锆晶体在不同晶面和不同加载速率时压入的变形行为,并采用配位数方法分析了不同压痕深度下基体原子组态和位错的变化情况,比较了不同晶面压痕的载荷-位移曲线和变形行为。结果表明,三个不同晶面压入时单斜氧化锆晶体呈现出3种不同的滑移面;(100)和(001)面的压痕形貌分别表现出pile-up和sink-in现象,且在这两个面的压入响应均出现载荷-位移曲线的间断波动。对(001)面不同加载速率压痕的研究结果表明在低速率加载时应力驰豫现象对基体应变硬化与载荷波动现象影响显著。     

压痕硬度测试的有限元分析

根据压痕硬度测试理论,建立了有限元模型。通过有限元手段分析了金属材料在不同载荷作用下的压入过程,了解在压痕硬度试验过程中压痕周围所产生的应力分布,计算了硬度HB值,与在硬度试验中所测的HB值吻合,证实了模型和材料特性描述的可靠性,在此基础上,研究了不同硬度的试件,载荷对压痕参数和压痕周围应力分布的影响。结果表明:载荷大小直接影响压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小,随着载荷的增加,压痕深度、隆起部分、回弹量和塑性区域大小均有不同程度的增加,增加的程度与材料的硬度有关,而且随着载荷的增加,压入深度加深,压痕周围塑性区域逐渐扩大,其硬度值和塑性区域逐渐趋于稳定范围。     

Knoop硬度测试中的压痕尺寸效应

从能量平衡角度对工程材料Ｋｎｏｏｐ硬度的压痕尺寸效应作出新的理论解释。认为在压痕过程中只有一部分荷载转化为材料发生不可逆体积形变所消耗的能量；荷载功的额外消耗是表现硬度随坟痕尺寸增大而减小的主要原因。     

纳米级超显微硬度法对镉变形行为的研究

利用纳米级超显微硬度压痕法研究了具有六方密排结构纯Ｃｄ(９９９９％)的应力应变及加工硬化行为·根据载荷压痕贯穿深度的测量,证明了在Ｃｄ的压痕变形中存在弹性、弹塑性和完全塑性三个阶段,与每个阶段相对应在其载荷压痕深度曲线上都出现一个斜率的改变,从而可以近似确定金属开始塑性变形的应力范围·其加工硬化指数是随着施加的最大载荷由５ｍＮ时的０１增加到４０ｍＮ时的０３,这主要是和加载的速度有关并满足线性方程·     

球形压痕法测材料力学性能:神经网络模拟

讨论利用球形压痕法对材料的力学性能参数进行估算时外载P和压入深度h的关系．分析了带动量修正的前馈式反向传播型神经网络的特点，通过已知的P—h关系建立神经网络系统，利用球形压痕法得到的计算结果作为训练数据对神经网络进行训练，通过训练好的神经网络模拟了球形压痕法的计算结果．利用训练5000次基础上得到的神经网络对球形压痕法所得结果进行了模拟，分析并比较了利用神经网络方法得到的结果与通过球形压痕法得到的结果．结果表明，神经网络可以很好地模拟利用球形压痕法分析得到的材料局部力学性能参数．     

Critical relative indentation depth in carbon based thinfilms

The thin film hardness estimation by nanoindentation is influenced by substrate beyond a critical relative indentation depth(CRID). In this study we developed a methodology to identify the CRID in amorphous carbon film. Three types of amorphous carbon film deposited on silicon have been studied. The nanoindentation tests were carried out applying a 0.1–10 mN load range on a Berkovich diamond tip, leading to penetration depth-to-film thickness ratios of 8–100%. The work regained during unloading(We) and the work performed during loading(Wt) was estimated for each indentation. The trend of unload-to-load ratio(We/Wt) data as a function of depth has been studied. We/Wtdepth profiles showed a sigmoid trend and the data were fitted by means of a Hill sigmoid equation. Using Hill sigmoid fit and a simple analytical method it is possible to estimate CRID of carbon based films.     

材料残余应力对硬度测试影响程度的分析

测试了材料在残余应力下的硬度,分析了残余应力影响下的弹塑性本构关系,并进行了有限元计算,实验结果和计算结果吻合程度较高,说明有限元分析正确,在此基础上,定性定量地分析了残余应力对于硬度的影响,建立了硬度与残余应力之间关系的拟合函数公式。研究结果表明:残余拉应力对硬度影响明显,而残余压应力对硬度影响较小;载荷大小和残余拉、压应力程度影响压痕周围弹塑性变形从而产生隆起量或下沉量,引起压痕深度、接触面积的变化,影响硬度测量值。     

Mechanism of brittle-ductile transition of a glass-ceramic rigid substrate

The hardness, elastic modulus, and scratch resistance of a glass-ceramic rigid substrate were measured by nanoindentation and nanoscratch, and the fracture toughness was measured by indentation using a Vickers indenter. The results show that the hardness and elastic modulus at a peak indentation depth of 200 nm are 9.04 and 94.70 GPa, respectively. These values reflect the properties of the glass-ceramic rigid substrate. The fracture toughness value of the glass-ceramic rigid substrate is 2.63 MPa?m1/2. The material removal mechanisms are seen to be directly related to normal force on the tip. The critical load and scratch depth estimated from the scratch depth profile after scratching and the friction profile are 268.60 mN and 335.10 nm, respectively. If the load and scratch depth are under the critical values, the glass-ceramic rigid substrate will undergo plastic flow rather than fracture. The formula of critical depth of cut described by Bifnao et al. is modified based on the difference of critical scratch depth     

Mechanism of brittle-ductile transition of a glass-ceramic rigid substrate

The hardness, elastic modulus, and scratch resistance of a glass-ceramic rigid substrate were measured by nanoindentation and nanoscratch, and the fracture toughness was measured by indentation using a Vickers indenter. The results show that the hardness and elastic modulus at a peak indentation depth of 200 nm are 9.04 and 94.70 GPa, respectively. These values reflect the properties of the glass-ceramic rigid substrate. The fracture toughness value of the glass-ceramic rigid substrate is 2.63 MPa·m1/2. The material removal mechanisms are seen to be directly related to normal force on the tip. The critical load and scratch depth estimated from the scratch depth profile after scratching and the friction profile are 268.60 mN and 335.10 nm, respectively. If the load and scratch depth are under the critical values, the glass-ceramic rigid substrate will undergo plastic flow rather than fracture. The formula of critical depth of cut described by Bifnao et al. is modified based on the difference of critical scratch depth     

块状金属玻璃Zr55Cu30Al10Ni5的微压痕尺寸效应

基于Drucker-Prager屈服准则,建立了适用于描述压敏材料的低阶应变梯度塑性(CMSG)理论. 通过ABAQUS自定义材料子程序(UMAT),构造了CMSG理论本构计算的有限元格式,并对块状金属玻璃Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅的圆锥压痕实验响应进行了数值模拟分析. 计算结果与实验数据相吻合,表明该理论可以很好地描述金属玻璃的弹塑性行为. 在此基础上,研究了不同压深下的载荷位移曲线和硬度,计算结果显示该材料的硬度随着压痕深度的增大而减小,表明基于Drucker-Prager屈服准则的CMSG理论可以预测金属玻璃Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅在微米尺度下表现出来的尺寸效应现象. 此外,通过分析不同摩擦因数下材料的载荷位移曲线,表明摩擦力对该材料微压痕响应的影响可以忽略不计.     

多层耐磨硬涂层纳米力学性能评定新方法

阐述了利用纳米硬度计研究涂层纳米力学特性的纳米压痕方法以及涂层纳米力学特性、附着、断裂韧性的评定指标 ,分析了载荷P与压入深度h关系曲线和载荷P与压入深度平方h2 关系曲线的特征 ,并提出用P -h和P -h2 关系曲线完整描述涂层纳米力学特性的方法 P -h2 曲线与P -h曲线一道就可完整反映涂层界面失效、断裂失效的整个过程 应用该方法对化学气相沉积 (CVD)TiN/Ti(C ,N) /TiC/Ti(C ,N) /TiCTi(C ,N) /TiC七层耐磨硬涂层进行了研究 结果表明 ,其具有较高的硬度、韧性和耐磨性