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     

大载荷连续压入及整体材料弹塑性行为的研究

用自制的具有新颖性的压入仪,对ＧＣｒ１５,４０Ｃｒ,２０Ｃｒ和退火纯铝等块状材料进行了大载荷连续加载、卸载压入实验．实验结果表明,大载荷压入时,加载曲线的载荷与压入深度具有幂函数关系,卸载曲线为自变量（ｈ－ｈｒ）的幂函数;材料硬度的测定值与载荷大小或压入深度无关,即不存在硬度的压痕尺寸效应．由大载荷连续加载、卸载曲线可得被测材料的塑性功、弹性功、弹塑性比和硬度等材料性能指标．     

非结晶铁磁合金薄带的机械性能研究

非结晶铁磁合金薄带是一种用于磁传感器微系统中的新型材料,其电、磁及机械性能对磁传感器的性能有着极大的影响。文章采用纳米压痕测量技术研究其机械性能,并且与拉伸试验测得的结果进行了比较。试验结果表明,纳米压痕法的载荷-位移曲线能够全面反映材料的弹性、塑性变形,弹性模量及硬度的测量结果受到基底材料及粘结剂层的影响。     

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。     

ZrYN层厚度对CrN/ZrYN纳米多层膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射技术在单晶Si基片上交替沉积CrN层、ZrYN层，制备不同厚度ZrYN层的CrN/ZrYN纳米多层膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪表征纳米多层膜的微观结构和力学性能。结果表明：随着ZrYN层厚度的增大，纳米多层膜中CrN相的结晶程度呈现出先上升后下降的趋势；纳米多层膜的硬度、弹性模量、韧性也呈现出先增大后减小的趋势；当ZrYN层厚度为0.9 nm时，纳米多层膜具有最高的硬度、弹性模量、韧性，分别为20.3 GPa、210.4 GPa、2.25 MPa·m^1/2。上述结果表明，随着ZrYN层厚度的增大，纳米多层膜出现由晶态向非晶态转变，在非晶态下，能够获得良好的综合力学性能。     

氧化锆增韧二硅化钼复合材料的压痕断裂韧性

用不同的压痕方程计算了ＺｒＯ＿２增韧ＭｏＳｉ＿２复合材料的室温断裂韧性Ｋ＿（１ｃ）值，同时研究了压痕载荷对Ｋ＿（１ｃ）值的影响，结果表明，试验材料在试验条件下的断裂韧性不遵从半月状裂纹系统方程，而遵从巴氏裂纹系统方程，其室温压痕断裂韧性保持与压痕载荷的独立性。     

镁合金表面磁控溅射沉积铝膜的力学性能

采用直流磁控溅射法在镁合金上沉积铝膜,在高真空下对铝膜进行加热后处理. 用X射线衍射仪(XRD)分析膜层为纯铝多晶态,扫描电子显微镜(SEM)观察铝膜晶粒细小. 采用纳米压痕/划痕仪对铝膜的厚度、临界附着力、硬度和弹性模量进行了测试,并且用辉光放电光谱仪(GDS)测试了镁合金表面铝膜的成分和性能随薄膜深度的分布. 结果表明,铝膜的厚度随后处理温度的升高而降低,其表面硬度和弹性模量高于镁合金基体并且随深度增加而逐渐降低. 铝膜与镁合金基体间存在一个过渡层,结合良好且表现出一定的弹塑性能,有利于镁合金表面的防护.     

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     

压入尺寸效应对AZ31镁合金应变率敏感性的影响

通过纳米压入测试方法研究了镁合金在不同应变率下的力学表现,对于AZ31镁合金在不同工况下的应用有着重要意义.压入测试结果表明:随着应变率的增加,压入硬度值逐渐增加,而接触刚度与弹性模量几乎保持恒定;同时,随着压入深度的增加硬度表现出明显的尺寸依赖性.然后,基于Nix-Gao理论获得了AZ31镁合金的尺度无关硬度,并对其应变率敏感指数进行了深入探究.结果表明:压入尺寸效应对材料的率敏感指数影响显著,并获得了剔除尺度影响的率敏感指数.     

Anisotropic, gradient and metal-like mechanical behaviors of teeth and their implications on tooth functions

The anisotropy and gradient of the elastic modulus and the hardness of teeth were investigated by means of instrumented indentation method. Such properties are attributed to the unique micro- structures of teeth based on scanning electron microscopic analysis. By comparing the relation- ship between the ratio of hardness to the reduced elastic modulus and the ratio of elastic unloading work to the total work of teeth in course of indentation to those of other materials, we found that the material behaviors of teeth display metal-like characteristics rather than ceramics as considered traditionally. These material behaviors and relevant functions are discussed briefly.     

热处理对MEH-PPV薄膜微力学行为的影响

利用纳米压痕技术研究了热处理对聚(2-甲氧基-5-(2’-乙基己基氧)-1-4-苯撑乙烯)(MEH-PPV)薄膜力学性能的影响,结果表明:随着热处理温度的提高,最大压痕深度先减小后增加,弹性模量、硬度随着热处理温度的提高而降低;另外,MEH-PPV薄膜对负载率的敏感性随热处理温度的提高而降低;同时利用高斯网络模型分析了热处理对MEH-PPV薄膜力学性能影响的原因,拓扑缠结对MEH-PPV薄膜力学性能影响是主要的,而凝聚缠结对MEH-PPV薄膜力学性能影响是次要的。     

带U型切槽素混凝土梁断裂特性

为了研究U型切槽的深度、切槽根半径以及骨料最大粒径对混凝土材料断裂特性的影响,本文制作了66根跨中带U型切槽的试验梁,包括了4种切槽深度、4种切槽根半径、3种粗骨料最大粒径变化的22组试件。试验采用三点弯曲方式对试验梁进行加载,利用数字图像相关方法获取切槽口张开位移,基于临界距离理论和能量密度准则对试件梁的广义断裂韧度进行分析。研究结果表明：在控制变量的原则下,试件的破坏荷载随着U型切槽深度和根半径的增加而减小,在最大粗骨料粒径为20 mm时最大;切槽口张开位移值与荷载值正相关,同一荷载下,切槽口张开位移值随着切槽深度、根半径以及骨料最大粒径增加而增大。将临界距离理论与能量密度准则得到的广义断裂韧度进行对比,说明临界距离理论可用于计算带U型切槽混凝土梁的断裂韧度及其对应的广义断裂韧度。     

纳米压痕法测量纳米晶金属Cu薄膜力学性能的研究

采用纳米压痕法测量了不同厚度（180～1000nm）的纳米晶Cu膜的硬度和弹性模量.结果表明,Cu膜硬度与厚度的关系类似于Hall-Petch关系,而弹性模量与厚度无关,其值相比块体粗晶Cu下降了约20%,分析位移-载荷曲线发现晶粒尺寸越大的Cu膜其位移跳跃现象越明显.另外,对于不同厚度的Cu膜其临界剪切应力的范围约在3.02～4.07GPa之间,基本接近粗晶Cu的理论剪切强度,位错塞积依然是其塑性变形的主要机制.     

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.     

Morphology observation for surface orange peel and fracture in tension sample of aluminum alloy sheet and characterization of nano hardness

The tension property of aluminum-alloy sheet with different microstructures is measured,and the surface and tension fracture morphology of tension sample with and without orange peel are observed by using scanning electron microscope(SEM).Surface roughness and nano hardness of tension sample are measured.The results show that the average elongation of the samples with orange peel is lower than that without orange peel;especially the r value of perpendicular to the rolling direction is much lower than that without orange peel.The tension surface of the orange peel samples is very rough;various parameters of surface roughness are higher.Under the observation of SEM,a wider sliding band with a micro crack on the surface of orange peel sample can be found.The various parameters of surface roughness without orange peel sample are near to zero,the sliding band is narrow and without micro cracks.The dimple width in tensile fracture of orange peel sample is larger than that without orange peel sample,but shear lip is narrower.The nano hardness testing results show that samples with orange peel behave high elastic modulus,high hardness,and high maximum load,but low plastic deformation depth.These mentioned features can completely describe surface and fracture morphology of tension samples with orange peel.     

韧性薄膜/基底体系锥形压痕的有限元分析

使用量纲分析和有限元法探讨了圆锥性压头压入韧性薄膜/韧性基底体系的力学响应.根据量纲分析,我们建立了压入响应和薄膜及基底的力学参量的无量纲关系.通过对压痕曲线的几个关键变量研究,发现最大压痕荷载取决于压入的深度、薄膜和基底的弹塑性性能,当压入适当深度时初始卸载斜率不受基底的屈服强度的影响.这些结论有利于深入研究韧性薄膜/韧性基底体系的压痕过程,提供了一种从锥形压痕试验中获得薄膜和基底的力学性能的方法.     

AlN／CrN纳米多层膜的制备及性能的研究

采用多弧离子镀技术制备A1N／CrN纳米多层膜,研究了多层膜调制周期对A1N生长结构的影响以及纳米多层膜的机械性能．结果表明：在小调制周期下A1N会以立方结构存在,并与CrN层形成同结构共格外延生长,使纳米多层膜产生较大的晶格畸变;A1N／CrN纳米多层膜硬度和弹性模量随着调制周期的减小呈现上升的趋势,当调制周期小于8nm时其增速明显增大,并在调制周期为3．8nm时达到最高硬度35．0GPa和最高弹性模量405GPaA1N／crN纳米多层膜的硬度和弹性模量在小调制周期时的升高与c-A1N的产生并和CrN形成的共格结构有关．     

医用不锈钢表面TiN薄膜的组织结构和力学性能研究

为改善医用不锈钢的耐磨性,采用反应磁控溅射在304不锈钢表面沉积了TiN薄膜,研究了Ti过渡层沉积时间对TiN薄膜微观结构和力学性能的影响。通过Ｘ射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪、FST1000型薄膜应力测试仪、HSR-2M摩擦磨损试验机和WS-2005型涂层附着力自动划痕仪对样品进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,当Ti过渡层沉积时间为20 min,Ti过渡层厚度为340 nm时,TiN薄膜结晶性最强,硬度和弹性模量达到最大值,分别为21.6 GPa和327.5 GPa,平均摩擦因数达到最小值0.45,临界载荷达到最大值24.7 N,TiN薄膜的力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力达到最优。进一步延长Ti过渡层的沉积时间,TiN薄膜的柱状晶组织粗化、力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力均降低。     

压入深度和应变率对氧化锆陶瓷纳米压痕测量值的影响

采用纳米压入法对氧化锆陶瓷的力学性能进行测试,利用连续刚度测量法得到加载阶段材料的硬度值和弹性模量,对比不同压入深度（2000nm,3000nm,4000nm,5000nm,6000nm）和不同应变率（0.01s-1,0.02s-1,0.05s-1,0.1s-1,0.2s-1）两种工况下氧化锆陶瓷的硬度、弹性模量和变形情况,结果表明：应变率一定,弹性模量随压入深度增加而缓慢减小,氧化锆陶瓷硬度和弹性回复率不受压入深度影响;压入深度一定,硬度值、弹性模量和弹性回复率均随着应变率的增加而变大。     

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。