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.     

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.     

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．     

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。     

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。     

纳米压痕双斜率法的修正

分析了双斜率法的误差来源,即采用纳米压痕载荷与位移曲线求解材料的弹性模量和硬度,引入2种不同的修正因子并给出修正的双斜率法表达式,利用二维等效圆锥模型和三维真实Berkovich模型模拟幂强化型材料的纳米压入过程并求解修正因子,利用修正的双斜率法计算标准材料熔融硅的硬度和修正因子.结果表明,所得结果与其有限元模拟结果相近,从而验证了修正的双斜率法的有效性,同时,推测其对压头尖端钝化并不敏感.     

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.     

岩石裂隙渗透性尺寸效应试验仪器研制

岩石裂隙渗透性存在尺寸效应,但目前尺寸效应的控制机理还不甚明了。为探索岩石裂隙渗透性尺寸效应的规律及其控制机理,研制出了一套岩石裂隙渗透性尺寸效应试验仪。该仪器由供水装置、加载装置、集水装置、测量装置及大尺寸岩石裂隙试样组成,可以模拟不同定水头压力以及不同法向应力作用下岩石裂隙的渗流过程,而且可以获得水流经不同裂隙面尺寸时的渗透参数,进而揭示岩石裂隙渗透性尺寸效应的规律。可为进一步研究岩石裂隙渗透性尺寸效应规律及控制机理等提供可靠的试验装置。     

球型压头下块体金属玻璃“隆起”现象的数值模拟研究

金属玻璃材料在压痕实验中,材料在压头周围形成明显的“隆起”（pile—up）现象．Pile—up的产生给计算材料硬度、杨氏模量和应力．应变关系等力学性质带来较大偏差．利用有限元方法对金属玻璃材料进行球型压头压痕实验的数值模拟,提出了一种表征pile—up效应的新模型．使用该模型计算Zr41.2Ti13．8Cu12．5Ni10Be22.5金属玻璃材料不同压入深度pile-up下的接触半径和材料硬度,获得与数值模拟下真实值吻合较好的结果．     

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。     

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．     

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.     

沥青混合料单轴贯入抗剪试验的细观分析

单轴贯入试验可以有效地测试沥青混合料的剪切强度,通过建立沥青混合料单轴贯入试验的颗粒流模型,分析了沥青混合料的抗剪作用机理.基于颗粒流的细观机理,采用离散元技术对沥青混合料单轴贯入试验进行细观模拟,得到了沥青混合料单轴贯入时的应力应变曲线变化规律,并将模拟结果进行了验证,揭示了沥青混合料单轴贯入试验的细观机理.分析了贯入速率、压头直径及试件尺寸等对试验结果的影响规律,在此基础上提出了合适的试验技术参数,为贯入试验提供技术参考.结合单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验,提出了基于离散单元法确定沥青混合料抗剪参数的方法,并为采用细观分析方法探究混合料性能提供了一种思路.     

颗粒增强ZA27基复合材料的高温蠕变特性

采用高温持久硬度试验及压入蠕变特性分析进行了颗粒增强ZA27基复合材料抵抗高温蠕变能力的研究.研究发现SiC, Al2O3颗粒的加入大大提高了ZA27合金的抗高温蠕变的能力.其强化机理主要是由于材料承受的载荷有效地转移到增强相颗粒上; 复合材料基体中有高的位错密度;复合材料中的内应力提高了位错滑移的门槛应力.     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟,系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响.首次采用微动弹性带(nudged elastic band,NEB)方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析.研究发现,存在一个极限氦/空位比,当氦/空位比超过该极限值时,纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生...     

耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构建模与仿真

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook（JC）本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为本构模型.通过采用介观尺度非标准件,并利用热处理工艺改变材料的晶粒尺寸,开展准静态拉伸实验、动态霍普金森压杆实验进行介观尺度材料测试,建立了晶体尺寸与介观尺度材料塑性变形与断裂行为特征的变化规律,并最终确定了耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构模型各参数值.      

基于纳米压痕测试的骨骼力学 特性解剖学区域差异研究

厘清骨骼不同解剖学区域的力学性能差异可为构建高生物逼真度的骨骼有限元模型提供重要依据.从牛股骨中段的前、后、内、外四个解剖学区域各制备一个试样,采用玻式压头对每个试样分别进行18个点的纳米压痕试验,记录加载力和压入深度的时间历程曲线,获得各压痕点的压入模量和硬度.结果显示长骨前侧、后侧、外侧、内侧的压入模量分别为20.78±2.66 GPa、18.66±2.57 GPa、16.39±2.29 GPa、21.57±2.19 GPa,硬度分别为0.65±0.79 GPa、0.58±0.08 GPa、0.44±0.06 GPa、0.61±0.15 GPa.方差分析表明,解剖学区域对压入模量和硬度的影响显著(p<0.001);组间多重比较表明,前侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧试样,内侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧试样,后侧试样的硬度显著高于外侧试样,内侧试样的压入模量显著高于外侧试样.因此,采用非均一材料将有助于提升长骨有限元模型的生物逼真度.     

单晶蓝宝石的摩擦化学机械抛光

为揭示抛光过程中SiO_2磨粒与蓝宝石的摩擦化学反应机理,结合摩擦化学理论和纳米压痕试验方法,采用有限元法模拟纳米压头压入与卸载后蓝宝石表面的应力分布情况.数值模拟结果表明:当SiO_2磨粒与蓝宝石的接触应力为5~15GPa时,发生固相反应所需活化能约为14.46kJ/mol,反应速率常数约为0.07~0.23μm/min;在摩擦化学反应过程中,SiO_2磨粒与蓝宝石的接触半径为15~21nm,其变形量为6.88~10.22nm.低载荷纳米压痕试验结果表明:忽略压头与SiO_2磨粒的硬度、几何形状等影响因素,单颗SiO_2磨粒上的作用力小于0.7 mN,其微观表面粗糙度R_t=38.19nm及R_a=3.62nm.     

尖端形椭圆钢管混凝土构件压扭复合受力性能分析

文章基于等效本构模型建立了尖端形椭圆钢管混凝土(oval-ended elliptical concrete-filled steel tubular, OECFST)构件在压扭复合受力下的有限元分析模型,揭示了OECFST构件在压扭复合受力状态下的受力机理和破坏模式,探讨了不同截面形式下轴压比对扭矩转角曲线的影响,分析了钢材强度、混凝土强度、含钢率、长短轴比及截面面积等参数的影响规律。结果表明:OECFST构件在压扭复合受力下表现出良好的塑性性能,且轴压下抗扭承载力随着钢材强度、含钢率的增大而增大,随着长短轴比的增大而减小,混凝土强度的改变对其影响较小;随着约束效应系数增大,轴压比值与扭矩比值的相关系数有所提高,长短轴比和尺寸效应对其影响较小。研究成果可为OECFST结构设计和应用提供参考。