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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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...     

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．     

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.     

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.