单晶铜纳米压痕的取向效应和尺寸效应研究

采用离散位错动力学法(DDD)以及晶体塑性有限元法(CPFEM)对单晶(001)、(011)和(111)晶面进行纳米压痕模拟研究。分别分析了载荷-位移曲线、弹性模量、纳米硬度以及弹性回复率与晶粒取向和压入深度的关系。DDD和CPFEM的模拟结果均表明:压痕硬度均随压入深度的减小而增大,呈现明显的尺寸效应。不同的是DDD的模拟结果显示:不同压入晶面的硬度关系为(111)晶面(001)晶面(011)晶面,呈现明显的取向效应。而CPFEM的模拟结果显示:不同压入晶面的硬度大致相同。此外,DDD模拟相对于CPFEM模拟结果,得到3个压痕面的压痕响应差异较大。两种方法模拟结果的差异主要是因为模拟尺度的不同,DDD模拟的尺度较小,其硬度响应与位错结构紧密相关。而CPFEM相对唯象,其模拟的尺度较大,微结构敏感特性不明显。     

5083铝合金表面化学镀Ni-P镀层的力学性能

采用化学镀方法在5083铝合金基体上制备了Ni-P非晶薄膜,采用纳米压痕技术在不同应变速率下研究Ni-P非晶薄膜的硬度、弹性模量和变形行为.结果表明,Ni-P非晶薄膜硬度不是一个恒定值,与纳米压痕的压入深度有关,而弹性模量基本保持不变;载荷-深度曲线出现跳跃及台阶现象与应变速率有关,应变速率愈慢,曲线出现台阶现象越明显;跳跃台阶源于单个剪切带的开动,而在高的应变速率条件下,由于多个剪切带的开动,曲线上便不出现跳跃台阶.     

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．     

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．     

循环载荷条件下岩石塑性滞回环的演化规律

通过对循环载荷条件下细粒砂岩在不同载荷水平、不同位移速率时的变形特性及其塑性滞回环演化规律的分析发现：1）循环载荷条件下岩石的加、卸载曲线不重合,将形成一封闭的塑性滞回环,该塑性滞回环从第2循环起将趋于稳定;2）不同载荷水平和不同位移速率下第1循环时的各拟合参数值与第2循环相比存在有较大变化,但从第2循环曲线起,各拟合参数均将逐渐趋于恒定;3）随着位移速率和载荷水平的变化,其拟合参数将随之而发生变化;4）在相同位移速率和相同载荷水平条件下,同一次循环时岩石变形曲线的加载段与卸载段的相应拟合参数值不同.     

Fe基块体非晶合金在纳米压入过程中的变形行为

摘要Fe基块体非晶合金具有极高的强度但通常表现出显著的宏观脆性,因此用常规拉伸、压缩等方法对这类合金的塑性变形行为和机理的研究具有很大困难．利用纳米压入和单轴压缩方法研究了Fe52Cr15Mo9Er3C15B6块体非晶合金的变形行为,考查了不同加载速率和不同晶化程度对变形行为和力学性能的影响,结果表明铸态和不同晶化程度样品在所研究的加载速率范围内的塑性变形过程中均未出现锯齿流变现象．用剪切带的时间和空间特性探讨了这种Fe基块体非晶合金在纳米压入过程中的特殊变形行为及其形成机制．     

表面处理对柔轮材料力学性能影响的有限元分析

以柔轮常用15-5ph不锈钢为对象,研究不同表面处理工艺对柔轮材料力学性能的影响规律。利用纳米压痕仪开展15-5ph不锈钢试件压入实验,将得到的载荷-深度曲线与有限元模拟结果进行对比,验证有限元压入模型的有效性。在此基础上,开展常见表面处理工艺影响柔轮材料力学性能的有限元建模与分析。研究结果表明:涂层弹性模量的增加将提高涂层-基体系统的等效硬度及刚度;渗碳层厚度的适当增大可减小柔轮基体应力而不影响柔轮的啮合精度;由喷丸产生的残余压应力越大,基体材料等效硬度越大,并可带来材料等效刚度的一定提高。     

交变载荷与温度耦合对γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展影响研究

利用分子动力学方法，在交变载荷与温度耦合条件下，模拟γ-TiAl合金的疲劳裂纹演化过程，探索TiAl合金不同阶段疲劳性能变化的微观机理，得到了在周期循环拉压加载时间比R=10∶1，沿[001]方向以v=10 m/s恒定速率交变加载时，不同温度（300 K、750 K、950 K）条件下，单晶TiAl合金疲劳断裂及缺陷演化的规律。结果表明：交变载荷与温度耦合加载时，在同一应力条件下，随温度的升高，发射位错数量增加且衍生多种类别缺陷，系统初始开裂应变量增大，位错的演化使应力-应变关系发生波动现象。位错密度峰值多集中于应力峰值区域，位错演化与产生的体心立方结构、面心立方结构衍生过程有关。该研究成果为复杂外载荷状态及不同温度条件下的γ-TiAl合金性能设计提供有力的理论指导。     

均匀内压作用下曲边柱壳的非线性动态响应

为了研究曲边柱壳受动态内压载荷作用下的变形规律,建立了精确考虑壳体几何构型的非线性动态控制方程,提出了一种基于静力变形模式的动态响应计算方法,然后通过能量方程建立了均匀内压作用下曲边柱壳动态解的增量求解算法,求解结果与有限元方法LS-DYNA计算结果十分一致.分析了加载速率和载荷形式对曲边柱壳动态响应的影响,发现加载速率和载荷形式可以较大程度地改变曲边柱壳的动力学行为,因此可以通过改变动态加载速率和载荷形式来控制曲边柱壳不同的动态特性.     

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。     

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.     

针状铁素体组织的纳米硬度

以Mn-Mo-Nb-B微合金系统为研究对象,利用动态连续刚度测量纳米压痕技术,结合低碳微合金钢中针状铁素体组织的特点,分析针状铁素体组织的纳米硬度-位移曲线,计算针状铁素体组织的基体纳米硬度.结果表明：针状铁素体组织的基体纳米硬度为2.14GPa,波动为29.37％,与动态CSM方法提供的原始结果相比,通过对特定显微组织的纳米硬度-位移曲线分析而得出的纳米硬度数据的波动显著减小.     

加载速率对动车组Huck铆钉剪切性能影响的研究

针对动车组速度不断提高而造成的Huck铆钉在运行中频繁断裂的问题,应用万能材料力学试验机对Huck铆钉铆接件在不同的加载速率下进行铆钉剪切试验,研究加载速率对其剪切力学性能的影响。通过对比3组不同加载速率下的Huck铆钉的剪切试验数据以及铆接件载荷 位移曲线,得出随着加载速率的增加,Huck铆钉的弹性起点平均载荷值、塑性起点平均载荷值以及弹性区间均减小而刚度有所增加等规律。试验结果表明,当采用的Cr12MoV冷作模具钢洛氏硬度值HRC范围在40~50之间时,铆钉孔几乎不变形且铆接试件在动态载荷下不易断裂。本文获取的相关结论对Huck铆钉在动车组上的设计与改进将起到重要的参考作用。     

氧化锆对刚玉-莫来石复相材料显微结构的影响

通过扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪和能谱探针研究了单斜晶型氧化锆对刚玉-莫来石复相材料显微结构的影响.结果表明:当氧化锆质量分数＜25%时,氧化锆对刚玉-莫来石基体骨架有充实作用;氧化锆质量分数增加到35%左右时,基体骨架被氧化锆晶粒瓦解,处于一种过渡态;氧化锆质量分数超过40%后,氧化锆晶粒会堆集成串珠链状,并与基体主晶相共同交织成一种新的结构骨架,但新骨架仍较松散.氧化锆晶体的马氏体相变导致了刚玉-莫来石复相材料产生微裂纹,裂纹密度与氧化锆加入量有并增趋势.     

不同飞机载荷下机场跑道实测动力响应

基于丹佛国际机场跑道实测道面应变及弯沉数据,分析不同载荷飞机(B-737-300、B-757-200、B-777-200)在滑行过程中机场跑道的动力响应。结果表明,三种机型作用下跑道的应变与弯沉变化相似,均表现为峰值与轮轴相对应。跑道横缝板的板边与板中,主要表现为压应变,且维持一定水平后波动;在纵缝板的板边,应变表现为拉压转换,应力处于循环状态,轮轴间的应变回复量显著,易发生疲劳破坏。纵缝板的板边和板中弯沉曲线表现为单峰值余弦形式。板角与横缝板板边弯沉为双峰值曲线;且曲线上加载段与卸载段存在突变现象。在飞机载荷作用下,3.05~6.10 m范围内地基主要表现为弹性变形;可将3.05 m深度以下地基视为弹性地基。所得结论对机场跑道工程的优化设计与科学施工具有参考价值。     

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.     

表层纳米化铝合金材料的微尺度力学行为

通过对表层纳米化铝合金材料显微组织的观测, 从实验(压缩实验和纳米压痕实验)和理论两方面研究了该材料的微尺度力学行为. 在实验方面, 测量了压缩应力应变曲线和硬度-压入深度曲线; 针对压缩和压痕两种实验特征, 采用微结构构元模型和应变梯度理论, 对该材料的压缩应力应变曲线和硬度曲线进行了预测和模拟; 进而确定出相关的材料参量及模型参量.     

X70管线钢静态和动态韧性试验研究

在不同试验温度下，对X70管线钢缺口沿厚度方向的标准夏比V型缺口试样进行动态试验和静态试验，研究了X70管线钢的力学性能与加载速率的关系．通过对试验实测的载荷—位移曲线和破坏断口的分析，发现X70管线钢的韧性、试验曲线上最大载荷所对应的位移随试验温度降低而降低；同一试验温度下动态试验曲线上最大载荷所对应的位移小于静态试验曲线上最大载荷所对应的位移；加载速率对试样断面沿厚度方向收缩的影响与试验温度有关；无论是动态试验还是静态试验，试样断口均出现垂直于缺口方向的分层裂纹；试验温度对动态试验屈服载荷、最大载荷以及静态试验最大载荷的影响较小；随着试验温度升高，裂纹形成功和破坏总功均升高，加载速率对破坏总功的影响同样与试验温度有关．     

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·     

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。