纳米压痕中针尖效应的分析

采用有限元方法模拟了纳米压痕中不同曲率半径针尖的压头压入不同材料的加、卸载过程,并对计算结果与实验进行了对比以验证模拟的可靠性.理论分析给出了一个硬度关于压头曲率半径和压入深度的半经验公式.结果显示,相同材料的硬度计算值随着压头针尖曲率半径的增大而增大;另外对于同一针尖曲率半径而言,材料硬度值随着压痕深度的减小而增大,并且随着曲率半径的增大,尺寸效应越明显.理论分析与有限元计算结果吻合得较好.分析表明,由于尖端曲率半径的增大而导致过低估计压头与材料的接触面积是产生针尖尺寸效应的主要原因.进一步分析显示,理论推导中对于尖端曲率半径较大(R>60 nm)的压头,在压入深度较浅时(h≤60 nm)将其等效为理想压头相对粗糙,其硬度计算结果存在一定的高估.     

百纳米以下压入硬度规律的科学意义和挑战

仪器化压入是广泛应用的微/纳米力学测试方法,可靠的百纳米以下压入硬度尺寸效应的规律及其机理是其中尚未完全认识清楚的问题.本文总结了课题组近期在百纳米以下压入硬度的实验和模拟方面的进展:通过精确控制试样晶向状态和表面粗糙度,表征压头尖端曲率,在大规模分子模拟中引入压头曲率参数,实现了实验和模拟的衔接和相互校核,获得了可靠的百纳米以下的压入硬度规律,并揭示了两种相反的尺寸效应的机理,即常规的随压入深度减小而增大的硬度尺寸效应来源于压头下方材料中位错的形核和传播,而与压入初始阶段的相反尺寸效应来源于压头尖端曲率和材料弹性行为之间的耦合效应;针对压入过程中的位错演化,系统对比了分子动力学和分子静力学的结果可靠性和计算效率与弛豫时间和能量收敛精度参数的关系,提出了选取模拟方法和模拟参数的依据.     

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.     

石墨烯纳米压痕实验的分子动力学模拟

我们基于分子动力学(Molecular Dynamics), 建立了石墨烯纳米压痕实验的数值模型, 以模拟压痕实验过程, 得到典型实验过程的力-位移曲线, 并进而讨论压头下压速度, 压头半径以及边界条件等因素对实验结果的影响. 论文测得石墨烯弹性模量为1 TPa, 强度为240 GPa. 加载过程中, 压头加载到临界压入深度hc时, 石墨烯试件在压头处撕裂破坏. 给定最大压入深度, 对石墨烯进行加载—卸载—再加载试验, 发现当最大压入深度h_max小于h_c时, 石墨烯发生的是完全弹性变形; 当最大压入深度h_max大于h_c时, 卸载和再加载过程中石墨烯能基本恢复原貌, 但仍有少数C—C键较长而无法恢复, 成为石墨烯再加载时的破坏起点, 石墨烯的破坏力和位移都显著下降. 另外, 还发现大于0.05 nm/ps的压头速度和压头半径对石墨烯临界压入深度和破坏力都有显著影响.     

压电磁材料中螺型位错与含界面裂纹圆形夹杂的干涉效应

研究了无限大压电磁基体材料中螺型位错与含界面裂纹圆形夹杂的电磁弹耦合干涉问题．运用复变函数方法,获得了夹杂和基体区域复势函数以及电弹性场的精确封闭形式解答．导出了位错在基体中任意位置时界面裂纹尖端广义应力强度因子的表达式．利用广义Peach—Koehler公式求出了作用于螺型位错上的位错力．该文解答可以作为Green函数研究压电磁材料中任意形状裂纹和圆弧形界面裂纹的干涉作用．     

单晶Cu在纳米压痕过程中的微观破坏机制

单晶Cu由于各向异性,最大剪切应力场的计算与宏观连续体弹性理论有出入,主要表现在纳米压痕过程中最大剪切应力的位置并不在压头的正下方,而且与位错产生的位置也不一致,通过位错的运动规律,发现材料的破坏不仅存在于压头的正下方,而且在压头周围的亚表层也存在大量位错,圆形压头使基体的应力分布并不是简单的单向拉伸或压缩,而是存在剪切应力场,致使模拟结果是尺寸相关的。     

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．     

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。     

FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕力学响应的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟建立FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕模型，从杨氏模量、位错行为等方面对FeCoCrNiCu高熵合金进行相关力学性能分析。研究分析了纳米压痕过程中温度和加载速度对合金基体变形的影响。经模拟以及数据拟合发现，杨氏模量与实验结果近似一致；纳米压痕过程依次经历弹性-塑性阶段，进入塑性阶段后基体内部产生位错，随着压头的不断深入，位错不断形核扩展最终成环；由于高熵合金复杂的元素组成以及应变梯度效应，剪切应变在合金体内的分布是不均匀的。加载速度对弹性阶段影响不大，但会对位错的增长产生影响，临界塑性压深也会随加载速度的增大而增大；温度对高熵合金的变形有着显著影响，温度升高会使原子运动加剧，基体易于变形。低温下压痕力明显上升，这是由于低温本身会降低原子迁移率，同时也利于孪晶产生，使基体进一步强化。     

压头作用下岩石破碎过程的细观模拟

采用平行粘结细观本构模型,在岩石颗粒尺度上研究了压头侵入岩石的破坏过程。分析讨论了岩石材料平行粘结模型细观参数与宏观力学参数之间的映射关系。为了实现表征颗粒连接破坏模式,应用FISH语言编写一个伺服程序,检测每个颗粒连接的受力状态。依据所建立的颗粒连接破坏准则,并对每个颗粒连接进行破断与否的评估,实现描述颗粒连接的破坏功能。研究表明,在压头垂直压力作用下,岩石试件内形成了3条主环向拉力链,它与宏观的小主应力方向一致。环向拉力链最大影响深度随着压头压入深度的增加而增加。与此同时,出现了几条径向压力链,它与宏观的大主应力方向基本一致。岩石试件裂纹是由环向拉应力和剪应力大于颗粒平行连接胶结材料的强度引起的。     

等荷载循环加卸载下砂岩变形滞回环特性研究

通过对砂岩试件等荷载循环加卸载试验,探究了砂岩试件的变形特性及塑性滞回环演化特征。结果表明：加载终点与卸载终点应变值均随着循环数有所增加,每一次循环均产生了一定的塑性变形,后四次循环新产生的塑性变形远小于初始循环,且随着循环数增加变形呈逐渐减少的趋势,最终试件被逐步压实,呈现出应变硬化现象。依据滞回环位置指标,发现塑性滞回环随着循环数增加逐渐右移,滞回环面积大小与应变值相关,循环加卸载终点的应变值越大,滞回环面积则越大,滞回环面积随循环数增加逐渐增大。     

基于修正莫尔-库仑准则的围岩瞬态卸荷塑性变形分析

将卸荷视为动态过程,采用包含拉伸截断和帽盖模型的修正莫尔-库仑准则,对不同开挖形状和应力状态条件下围岩瞬态卸荷塑性区进行了分析.研究结果表明:瞬态卸荷可导致自由面附近产生塑性变形,造成围岩损伤弱化甚至破坏;拉伸应力是造成围岩动态卸荷破坏的重要因素;塑性变形随着埋深的增加而增大;最大压应力方向易于产生塑性变形,以拉伸变形为主,当初始应力满足一定条件时,最小压应力方向将产生严重压剪塑性变形;从卸荷的角度考虑,巷道断面曲率较大为宜,尽量避免直线形边界.     

均布荷载作用下两端固支梁的弹塑性分析

通过单位荷载法分析了两端固支超静定梁在均布荷载作用下的弹塑性加载及变形过程,并给出了加载各阶段的弯矩和位移计算公式．分析结果表明,受力变形过程可分为4个阶段：弹性阶段：固支端附近产生塑性变形阶段;固支端为塑性铰而固支端附近塑性区卸载阶段;固支端保持为塑性铰而梁中部部分区域产生塑性变形直至形成塑性流动阶段．     

不同分级循环加卸载模式下六边形蜂窝能量演化规律

为了阐明循环加卸载路径对六边形蜂窝能量演化的影响规律,设计了3种不同分级循环加卸载试验,揭示了不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、弹性变形能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及相互关系,研究结果表明：不同分级循环加卸载作用下,蜂窝的初始峰值强度和平台应力与卸载过程蜂窝弹性能的释放程度有关;3种不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、蜂窝的弹性变形能和塑性变形能随着加卸载梯级增大呈现非线性增加的趋势,耗散能在前三级循环作用下随着加载次数增加而减小,在最后一级循环中循环载荷上限较大,扰动效应强于强化效应,耗散能呈现相反趋势;提升循环载荷上限,蜂窝内部损伤增加,且越接近蜂窝初始峰值强度,蜂窝的损伤越严重;同时提升循环载荷下限,蜂窝弹性能释放较少,损伤加剧。     

圆板非弹性冲击过程的碰撞恢复系数

应用数值解析方法分析圆板形材料塑性加载和弹性卸载过程的法向接触压力和法向变形量的关系,推导了冲击前后圆板法向冲击速度的理论计算方法.针对圆板形材料卸载过程中材料轮廓的假设引入了变形量系数的概念,探讨了卸载过程中的材料轮廓与加载过程材料轮廓间的关系.应用高速摄像系统观测了圆板对平面冲击过程的冲击速度和反弹速度,确定了对不同冲击速度下圆板冲击速度对碰撞恢复系数的影响规律.对变形量系数予以修正.实验结果表明,所得到的碰撞恢复系数理论计算结果与实验结果十分吻合.     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

循环载荷下干燥及饱和砂岩的变形及声发射特征

对取自陕西榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥和饱和试件进行单轴循环加卸载试验及声发射监测,分析了不同含水状态岩石的强度以及变形特征、声发射特征和加卸载响应比变化情况.结果表明,水对上述性质具有显著影响:饱和试件强度和滞回环数量均低于干燥试件,压密阶段轴向应变比干燥试件增加18.9%,峰值强度前轴向应变比干燥试件降低17.4%,干燥和饱和试件在循环加载过程中弹性模量均有增大趋势;干燥试件在整个加卸载过程中声发射能量累积为3.87×10-11J,饱和试件声发射能量累积为2.58×10-11J,仅为干燥试件的66.67%;干燥和饱和试件的加卸载响应比呈现类似的变化规律,但饱和试件的加卸载响应比峰值特征时间比干燥试件短,宏观裂纹形成得更早.     

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.     

基于反双曲正弦函数的循环本构模型

为改善本构模型对循环变形应力-应变滞回环的预测能力，基于反双曲正弦函数提出了一个新的随动硬化律。在该硬化律中，背应力分为长程、中程和短程3部分，并且每部分都符合“A-F”硬化律的演化形式（即包含线性项和动态恢复项）。在长程和中程背应力中，动态恢复系数逐渐演化以描述大变形瞬态包辛格效应，并且系数中引入了棘轮系数以描述材料的棘轮行为；在短程背应力中，线性项和动态恢复项分别由两部分组成，其中一部分只在反向屈服发生时起作用以描述小变形下反向屈服塑性模量降低的行为。在单调加载时，该随动硬化律可以积分为一个反双曲正弦函数，并且调控单调加载响应、棘轮变形演化和滞回环形状的参数互不耦合。基于该随动硬化律，在次弹性大变形框架下建立了循环本构模型，并考察了其对棘轮变形和应力-应变滞回环的预测能力。