显微硬度负荷依存性现象及其本质

涂层的超显微硬度值不仅取决于涂层材料，还与测试负荷和膜层的厚度密切相关．论述了显微硬度在微小负荷范围内因测试负荷变化而发生明显变化的现象，即所谓的压痕尺寸效应，并讨论了显微硬度试验时测试负荷的正确选择和压痕尺寸效应的若干解释．     

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。     

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。     

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。     

Al—Cu—Fe—B准晶材料断裂韧性的评估

采用(Vickers)压痕试验法来测试评估准晶Al59Cu25.5Fe12.5B3的断裂韧性.根据维氏压痕的断面轮廓、径向裂纹尺寸和相关的计算表达式,测试了显微硬度Hv和裂纹萌生的临界载荷值,评估了该准晶材料的杨氏弹性模量E和断裂韧性.结果表明该准晶材料的杨氏模量为108.5GPa,断裂韧性约1.34MPa*m-1/2.对于维氏压头而言,裂纹萌生的临界载荷值在250mN～500mN的范围.此外,运用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了裂纹萌生和裂纹扩展的表面形貌.     

加载控制模式对电沉积镍薄膜力学性能测试的影响

为研究深度和载荷2种加载控制模式对样品硬度和杨氏模量测试结果的影响,选取了厚度为6μm的电沉积镍薄膜为样品,采用美国Hysitron公司生产的TriboIndenter型压痕仪进行压痕试验.结果表明:因薄膜和基底2种材料的性能相差较大,随着压痕深度的增加,基底效应越来越明显；载荷控制模式下所测的硬度和杨氏模量较深度控制...     

MgO钻石形锥体压痕的有限元分析

除了用于常规质量控制方法以外，钻石形锥体压痕还可以用于研究陶瓷的塑性变形，而用其它方法研究陶瓷的塑性变形是非常困难的。尽管该方法已经成功地用于测定一些陶瓷的滑移系，然而这些发现一般都是定性的，至多是半定量的。陶瓷刚性压痕的有限元分析可以帮助提高从实验观察中得到的数据的质量和理解。本文进行了MgO材料的钻石形锥体压痕有限元分析，并与标准钢EN08的锥体压痕分析结果进行了比较。考察了摩擦系数对于计算硬度值、接触压力和最大主应力的影响。     

黏弹性材料纳米压痕测试及接触形貌的影响

利用纳米硬度计测量聚氯乙烯(PVC)的力学性能,用有限元软件仿真了实测过程,比对实验和仿真数据,得出有限元法研究黏弹性材料纳米压痕实验的可行性结论.据此针对不同尖端曲率半径的圆锥形压头,模拟纳米压痕测量过程,结果显示:在黏弹性材料纳米压痕实验中硬度测量值随压入深度的增加而减小,随尖端曲率半径的增加而增大.最后引入压头表征尺寸概念,针对表征尺寸与表面粗糙度参数在同一数量级以及表征尺寸远小于表面粗糙度参数这两种情况分别进行仿真,结果表明:接触零点在峰顶或谷底时的硬度测量值会相应地偏小或偏大,并且硬度测量值的偏差随纹波间距和轮廓最大高度的增加而增大.     

磁控溅射类金刚石碳膜的显微硬度

采用显微硬度测试方法,研究在单晶硅衬底上沉积厚度仅为0.09-0.56μm的磁控溅射类金刚石碳膜的力学性能。结果表明,溅射碳膜的硬度随溅射工艺参数呈规律性变化,且可以和碳膜的类金刚石性质以及碳膜结构的SP~3和SP~2成分的变化相联系。采用Johnson复合硬度模型进行的分析表明,溅射碳膜的真实硬度在HV6000-6600之间,比天然金刚石的硬度略低。溅射类金刚石碳膜具有明显的压痕尺寸效应(ISE),其指数约为m=1.9。     

微胶囊自修复材料塑性参数的研究

在研究自修复微胶囊壳体材料的力学性能时,受尺寸效应的影响,一般采用纳米压痕实验来获得.通过纳米压痕实验测得的载荷-位移曲线可计算出材料的弹性模量、硬度值,而塑性参数不易获得.随着非线性有限元方法的发展,材料的塑性性能可通过有限元方法进行数值仿真得到.就此使用有限元软件对压痕试验进行模拟,通过预设材料的塑性参数,获得材料...     

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．     

岩石压人硬度与声发射参数关系的研究

为了查明岩石压入硬度与声发射参数如累计信号数、总能量、峰值RMS(信号均方根值)、积分RMS等之间的关系,在9种不同的岩石中进行了压入试验。结果表明:岩石压入硬度与声发射信号的积分RMS有最好的相关关系。有可能利用积分RMS这一参数来估价岩石压入硬度,并进一步预报岩石可钻性。     

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     

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.     

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.     

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     

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。