采用有限元仿真研究TiN和Ti-Si-N的力学性能特点

利用有限元的非线性算法对一个TiN表面和一个Ti-Si-N纳米复合表面的压痕测量实验曲线进行仿真拟合,并对它们的力学性能进行比较分析.论文介绍该三维有限元仿真过程的各个步骤,重点说明如何通过计算求取与实验的载荷-位移曲线相对应的应力-应变关系,以及通过有限元仿真得到TiN样品和Ti-Si-N样品的屈服极限.经过仿真得到TiN表面和Ti-Si-N表面的硬度分别为21.319GPa和39.874GPa,与实测值21.4GPa和41.8GPa很接近.该研究结果证明此计算材料应力-应变关系和求取屈服极限的方法是可行的.通过仿真得到Ti-Si-N纳米复合表面的屈服强度为24GPa、TiN表面的屈服强度为12GPa.     

氢促进铁磁性形状记忆合金Ni50 Mn30 Ga20的纳米压痕蠕变与压痕回复

采用纳米压痕法研究了氢对Ni50 Mn30 Ga20取向多晶室温纳米压痕蠕变和压痕塑性形变的影响.结果表明,Ni50 Mn30Ga20取向多晶在室温下能够发生纳米压痕蠕变.在试样室温真空充氢之后,引入的氢不仅能够促进纳米压痕蠕变,还可以使得马氏体相变的"伪弹性"存储的弹性能得以释放,发生逆转变,使部分塑性变形回复.     

溅射偏压对Cu膜屈服强度的影响

用高真空磁控溅射在Si片上沉积纯Cu膜,通过纳米压入实验得到薄膜硬度和弹性模量,模型和数值计算相结合得到薄膜屈服强度.结果表明溅射偏压对薄膜屈服强度影响较大,可以使薄膜在比较厚的情况下得到和数百纳米厚的薄膜相似的高屈服强度.其主要原因是溅射偏压改变了薄膜的晶粒取向和晶粒尺寸.     

Nb-V低碳微合金钢等温淬火过程析出行为

利用透射电镜和纳米压痕仪对Nb-V低碳微合金钢中纳米碳化物的析出行为进行研究.研究结果表明,在700℃等温60min试样中,可同时观察到相间析出和弥散析出,在其余试样中均未观察到相间析出,此规律可以通过相变过程中的扩散准则和台阶机制来解释.另外,纳米压痕结果显示在600℃等温20min试样中,平均硬度为3.87GPa,650℃等温20min试样中,平均硬度为4.10GPa,且通过TEM观察可以看出,650℃等温20min中试样析出物数量密度较大且分布均匀.利用Ashby-Orowan机制对析出强化量进行计算,可以得出在650℃等温20min试样中,析出强化对整个屈服强度的贡献量可以达到110MPa.     

纳米硬度测量中接触面积及压头曲率半径效应的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)模拟了单晶铜的纳米压痕. 提出“接触原子”方法来计算接触面积, 并和实验上采用的方法进行比较, 发现此方法无论是对“挤出”还是“沉陷”情况都能更准确地计算接触面积. 同时也模拟了压头曲率半径对纳米压痕的影响, 发现在同一压痕深度下材料纳米硬度的测量值随着压头半径的增大而变大.     

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...     

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.     

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.     

蠕变损伤强度理论新准则

在理论推证和试验的基础上，建立了一种崭新的蠕变损伤强度理论，引入了一个新的强度指标，即材料的极限有效损伤应力强度。实验证明它较之传统强度理论中的屈服极限或强度极限更具有合理性，实验测定结果的稳定性更好。     

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.     

时效温度对890MPa级含铜钢组织与性能的影响

根据纳米析出强化机制,设计了一种屈服强度为890MPa的超高强海洋工程用钢——NEU890钢.在相同固溶条件下,研究了时效温度对NEU890钢显微组织、室温拉伸性能、-40℃ Charpy冲击功的影响.用透射电子显微镜分析纳米级析出相分布,并计算出其强度贡献值.结果表明,固溶态试样屈服强度为852MPa,500℃时效屈服强度达到峰值1026MPa,呈现典型时效析出强化特征.NEU890钢的脆性时效温度区间为300~500℃.当时效温度为550~600℃时,NEU890钢的屈服强度为994~910MPa,-40℃冲击功为108~166J,可满足EQ91钢拉伸和冲击性能指标要求.     

TiN晶体尺寸与其力学性能的第一性原理研究

 纳米多晶体材料因其独特的力学性能而成为当前材料科学领域的研究热点之一,尤其是晶粒尺寸对其力学性能的影响倍受关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,模拟计算了晶粒尺寸为0.6387—2.332nm的TiN的力学性能,得到应力应变关系及屈服强度。计算结果表明,随着晶粒尺寸的增加,TiN的屈服强度降低,晶粒呈现软化趋势。通过对应力-应变曲线分析可知：TiN在应变5%处开始屈服,其屈服强度大约为21.5GPa;抗拉强度发生在应变约为15%时,且随着晶粒尺寸的增加,抗拉强度降低。本文对照了屈服极限的计算值和有限元方法的拟合值,讨论了实验中TiN表面的微观结构与硬度、弹性模量的关系。研究表明,TiN试样中的缺陷对其硬度和强度有很大影响。     

底材厚度对铝热反应熔化制备的块体纳米晶Fe3Al材料的组织和性能的影响

通过铝热反应熔化方法在厚度为5~15 mm的铜底材上制备块体纳米晶Fe3Al材料.通过X射线衍射(XRD)研究材料的晶粒尺寸,研究材料室温压缩下的力学性能和硬度.结果表明,所制备材料的晶粒尺寸均约为20nm,且晶粒尺寸随底材厚度的增加而增加.底材厚度为5 mm时纳米晶Fe3Al材料的屈服强度和硬度具有最大值,随着底材厚度的增加,屈服强度和硬度急剧减小,最后趋于稳定.5 mm时纳米晶Fe3Al材料的屈服强度约是10mm时的1.5倍.     

几种金属多层薄膜的形变与断裂行为及其机制

本文系统地报道了近年来所开展的有关金属多层薄膜的强度、变形与断裂行为的研究进展.着重介绍了本研究所开展的几种典型金属多层薄膜（Cu/Au、Cu/Cr、Cu/Ta等）的力学行为及其尺寸与界面效应.研究发现,随着多层膜的单层厚度减小,多层膜的强度明显升高,最后达到饱和.理论分析表明,不同种类金属多层膜的强度升高能力与界面结构有关.根据晶格失配与位错理论,所提出的统一模型可以很好地描述具有不同界面结构金属多层薄膜的界面强化能力.压痕诱发的具有不同尺度和界面结构的金属多层膜的塑性变形行为明显不同.当多层膜的单层厚度减小到纳米尺度时,压痕诱发的塑性变形倾向于剪切带变形 同时还在亚微米尺度下观察到了直接穿过界面的局部剪切行为.研究还发现,在单向拉伸载荷的作用下,纳米尺度Cu/Ta多层膜的裂纹尖端发生位移量为几纳米到几十纳米的面外剪切变形,最终导致Cu/Ta多层膜发生剪切型断裂.提出了位错运动所需应力和层/层界面阻力之间的竞争机制,从而证明了当金属多层膜的单层厚度小于某一临界尺度时将发生剪切型断裂这一物理本质.     

单晶体SOD力学性能的实验及数值模拟

采用纳米压痕硬度计,测量了沸石分子筛方钠石SOD大单晶的力学性能,得到了载荷 位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值。并利用ANSYS有限元程序对沸石单晶体SOD的弹性阶段进行了二维数值模拟,考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响,得到了压痕过程中加卸载时的载荷 位移曲线,模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷 位移关系基本一致,较好地反应了弹性纳米压痕的实验过程。     

Zn含量对AlMgSiCu合金组织和力学性能的影响

使用常规铸锭冶金方法制备了不同Zn含量的AlMgSiCu合金.利用光学显微镜、扫描电镜、拉伸测试和纳米压痕方法研究了Zn含量对铝合金微观组织和力学性能的影响.研究发现Zn元素能够轻微细化AlMgSiCu合金铸态组织.随着合金中Zn含量的增加,铸态铝合金的晶界变宽,晶界析出相增多.Zn的添加未影响铸态合金的相组成和形貌.随Zn含量的增加,铝合金的强度和延伸率呈现先增后降的变化趋势,添加质量分数0.5%Zn可使合金具有最高的强度,而0.75%Zn使合金获得最高延伸率.对含Zn铝合金的纳米压痕测量表明:随着Zn含量的增加,铝合金的弹性模量呈现逐步降低的趋势.     

易切削钢中夹杂物的纳米压痕表征

利用纳米压痕技术对钢中BN、MnS、Al2O3、TiN等夹杂物进行纳米压痕表征,详细讨论了BN夹杂物对钢的切削性能的改善作用,并分析了纳米压痕表征及宏观硬度测量的误差.研究表明:铸态BN夹杂物硬度低于MnS夹杂物,锻造态BN夹杂物硬度高于MnS夹杂物,三者均远低于钢基体;铸态与锻造态BN夹杂物均能在钢中起到应力集中源、润滑及包裹硬质点的作用,改善钢的切削性能;纳米压痕表征及宏观硬度测量均存在一定的误差.     

Nd对含堆垛层错的铸态Mg–12Gd–2Zn–xNd–0.4Zr合金组织和力学性能的影响

镁合金以其高比强度、高比刚度、低密度等优点在航空航天、交通运输等领域显示出越来越大的潜力。但在实际使用过程中,镁合金仍存在塑性差、绝对屈服强度偏低、拉压不对称等问题。为了研究稀土元素Nd对镁合金显微组织和力学性能的影响与强化机制,本文以Mg–12Gd–2Zn–xNd–0.4Zr合金为研究对象,分别添加0, 0.5wt%, 1wt%的Nd元素。通过光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、透射电镜和XRD研究Nd对Mg–12Gd–2Zn–xNd–0.4Zr合金显微组织的影响,通过拉伸试验机、纳米压痕仪和显微硬度计测试了合金的力学性能。结果表明:显微组织主要由α–Mg基体、共晶相和堆垛层错(SFs)组成;Nd的加入对晶粒细化和组织均匀化起着重要作用。随着Nd添加量的增加,合金的拉伸屈服强度和显微硬度增加,压缩屈服强度降低,导致合金的反向拉压不对称性减弱。当Nd含量为1wt%时,合金的力学性能最好,其抗拉强度和抗压强度分别达到194 MPa和397 MPa,压缩屈服强度和拉伸屈服强度比值降低为1.05。     

黏塑性蠕变模型中屈服强度的确定方法

在岩石蠕变特性试验中,当施加的常应力达到一定程度后岩石将发生黏塑性变形,一般用屈服强度判断岩石是否发生黏塑性变形,与弹塑性理论不同,在黏塑性蠕变模型中,屈服强度并不是定值,而是随蠕变时间增长逐渐减小,确定蠕变过程中准确的屈服强度对黏塑性变形计算有重要的影响.首先,通过等时曲线法确定岩石长期强度的过程,对屈服强度随时间的变化规律及确定方法进行研究,阐明瞬时屈服强度与长期强度的关系;其次,把岩石全应力-应变曲线与蠕变等时曲线相结合,有效判断蠕变变形中是否发生黏塑性变形及黏塑性发生的时刻,推导出屈服强度随时间变化情况下的广义宾汉姆模型,结合不同类型岩石的蠕变试验结果,分析采用长期强度代替瞬时屈服强度产生的差值;最后,给出用岩石时效强度进行岩土工程设计的思路.研究成果有助于在蠕变模型中正确使用屈服强度,对蠕变模型研究具有一定的积极意义.     

弹簧钢60Si2Mn脱碳表面的应力分析

弹簧钢60Si2Mn在热处理过程中会发生脱碳.由于脱碳会严重影响零件的使用性能,因此可采用喷丸的方法来提高零件的使用性能,喷丸在材料表面产生的残余应力是二维的.基于此,讨论了喷丸强化对脱碳表层的影响,利用X射线应力分析技术及Mises等效应力法,可测得弹簧钢60Si2Mn脱碳表层在喷丸前后的屈服强度.实验结果表明,喷丸试样的表面屈服强度比未喷丸试样的表面屈服强度有了很大的提高,这说明了喷丸可以改善脱碳零件的性能.