功能梯度韧性膜力学性能压痕法的数值计算研究

本文利用有限元方法对功能梯度韧性膜/韧性基底体系的Berkovich压入过程进行模拟和计算.通过对计算结果的拟合我们得到了压入的加卸载参量和功能梯度韧性膜/基底的力学参量之间的对应关系.建立的模型为压痕法表征功能梯度韧性薄膜的力学性能提供了技术支持.     

集成电路钝化层薄膜的纳米力学性质研究

利用等离子体增强化学气相淀积工艺在P型单晶硅（111）衬底上制备了厚度为70、150、450nm的SiO2薄膜和100、170、220nm的Si3N4薄膜,并使用纳米压入仪对薄膜进行了纳米力学测试与分析．薄膜在不同载荷下的硬度和弹性模量计算采用Oliver-Pharr方法．在测量两种薄膜的硬度时没有发现压痕尺寸效应．SiO2薄膜的弹性模量与压入深度的依赖关系不明显,但与薄膜厚度的依赖关系较明显,薄膜厚度的增加将导致弹性模量显著减小,而Si3N4的弹性模量与薄膜厚度的依赖关系不明显,但与压入深度的依赖关系较明显,会随着压入深度的增加而逐渐增加到某一定值．     

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...     

多层耐磨硬涂层纳米力学性能评定新方法

阐述了利用纳米硬度计研究涂层纳米力学特性的纳米压痕方法以及涂层纳米力学特性、附着、断裂韧性的评定指标 ,分析了载荷P与压入深度h关系曲线和载荷P与压入深度平方h2 关系曲线的特征 ,并提出用P -h和P -h2 关系曲线完整描述涂层纳米力学特性的方法 P -h2 曲线与P -h曲线一道就可完整反映涂层界面失效、断裂失效的整个过程 应用该方法对化学气相沉积 (CVD)TiN/Ti(C ,N) /TiC/Ti(C ,N) /TiCTi(C ,N) /TiC七层耐磨硬涂层进行了研究 结果表明 ,其具有较高的硬度、韧性和耐磨性     

残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为影响的数值分析

通过纳米压痕和电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术获得金属铍在晶粒尺度上的表面微力学行为(性能)信息,基于ABAQUS对纳米压入过程进行有限元模拟.因数值模拟结果与实测信息相符合,故可获得仿真过程的基本力学性能参数.基于得出的参数,针对残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为的影响进行数值分析,结果表明,残余应力、晶体尺寸与纳米压入塑性功、最大深度及残余深度之间存在明显的线性关系;以塑性功为对比依据,残余应力与晶粒尺寸的影响系数分别为0.852 5×10^-12 J/MPa,95.373×10^-12 J/μm.该研究对纳米压痕力学性能、估计晶粒内残余应力等研究有一定的参考价值.     

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.     

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。     

单斜氧化锆晶体压痕的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法模拟研究了单斜氧化锆晶体在不同晶面和不同加载速率时压入的变形行为,并采用配位数方法分析了不同压痕深度下基体原子组态和位错的变化情况,比较了不同晶面压痕的载荷-位移曲线和变形行为。结果表明,三个不同晶面压入时单斜氧化锆晶体呈现出3种不同的滑移面;(100)和(001)面的压痕形貌分别表现出pile-up和sink-in现象,且在这两个面的压入响应均出现载荷-位移曲线的间断波动。对(001)面不同加载速率压痕的研究结果表明在低速率加载时应力驰豫现象对基体应变硬化与载荷波动现象影响显著。     

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.     

纳米压痕试验在纳米材料研究中的应用

纳米材料由于其本身特殊的尺度,呈现出与体材料完全不同的力学、摩擦学性质.纳米压痕试验作为一种在纳米尺度进行力学、摩擦学性质表征的有效手段,已经被成功地运用于单层/多层薄膜、超薄膜、纳米线/管等纳米材料的纳米摩擦学研究中.在硬度、弹性模量的测量以及弹性/塑性形变、应变强化等现象的研究中已经取得了许多重要的成果.但是,目前的纳米压痕试验还存在着重复性差、精确定量困难、缺少统一的测试标准等问题.寻找解决这些问题的方法,是纳米压痕试验未来发展中的重要课题.     

Influence of Residual Stress on the Elastic-plastic Response to Indentation

The indentation method is useful in determining the residual stress according to the elastic-plastic properties of materials. So the effect of the residual stress on the elastic-plastic indentation properties of materials was studied by using the finite element method to find better indentation parameters which are strongly induced by the residual stress. The results show that load-depth curve, plastic pile-up, indentation shape, indentation contact stress and indentation residual stress are affected by different residual stress, and these parameters can be used to deduce the residual stress. Also, a special indentation equipment was developed to analyze the elastic-plastic properties of materials with different residual stress, and the experimental results show a good agreement with the FEM results. For practical application, the elastic-plastic indentation properties of materials with unknown residual stress could be obtained by the developed equipment to deduce the residual stress comprehensively.     

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     

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     

考虑岩石弹塑性变形的井周应力场计算模型研究

针对煤岩、页岩等岩石具有弹塑性这一特性，考虑岩石非线性硬化与软化变形，并耦合工作液渗滤作用，沿井筒径向方向将地层分为塑性软化、塑性硬化和弹性区，根据弹性区与塑性区交界处应力连续的特点，建立了耦合工作液渗滤和岩石非线性硬化与软化变形的井壁应力场模型。分析表明，塑性区大小与井眼流体压力、泊松比和地层初始孔隙流体压力呈正相关关系，与岩石强度呈负相关关系。与弹性状态相比，岩石塑性变形降低了井眼应力集中效应，岩石塑性变形对井周径向应力影响较小，但会使井周周向应力增加。     

加筋偏心裂纹板的弹塑性有限元分析

根据由塑性形变理论得出的有限元计算公式，采用结合初应力法的变刚度法，计算了受单调加载的含加筋及不含加筋的裂纹板的裂纹尖端弹塑性场。分析了加筋桁条对裂纹板弹塑性断裂的影响。讨论了有塑性区存在时，由线弹性分析所得结果的适用程度。     

非结晶铁磁合金薄带的机械性能研究

非结晶铁磁合金薄带是一种用于磁传感器微系统中的新型材料,其电、磁及机械性能对磁传感器的性能有着极大的影响。文章采用纳米压痕测量技术研究其机械性能,并且与拉伸试验测得的结果进行了比较。试验结果表明,纳米压痕法的载荷-位移曲线能够全面反映材料的弹性、塑性变形,弹性模量及硬度的测量结果受到基底材料及粘结剂层的影响。     

空间钢网格盒式筒中筒结构地震弹塑性响应分析

为研究空间钢网格盒式筒中筒结构在地震作用下的弹塑性性能,利用有限元软件MIDAS建立结构数值模型,对其进行罕遇地震作用下弹性时程分析和弹塑性时程分析,并对结构顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角等进行比较分析.通过结构弹塑性反应分析得到结构塑性铰损伤过程,得出该结构塑性铰发展及构件屈服顺序.结果表明:盒式筒中筒结构抗震防线明确,能够很好地实现基于性能的结构设计.     

Numerical Simulation of the Mechanical Properties and Failure of Heterogeneous Elasto-Plastic Materials

A general numerical approach was developed to simulate the mechanical properties and the failure of heterogeneous elasto-plastic materials using statistical distributions of the material properties. An appropriate elastic-plastic constitutive relation is used to describe the material behavior and failure in each element, with a two-parameter Weibull distribution used to produce the initial heterogeneous material property variations. An adaptive incremental load-step is applied so that only one or a few elements (or integra- tion points) change their status (i.e., from elastic to plastic, or from plastic to strain failure) within one load step. A failed element is then assigned a very small modulus to simulate the failure rather than removing it from the model, which keeps the continuity of the geometric mesh. The numerical results show that the model is suitable for simulating the effective mechanical properties and failure of heterogeneous materials with local elasto-plastic constitutive relations.     

单轴循环荷载对煤弹塑性和能量积聚耗散的影响

为了研究循环加载对煤岩弹塑性和能量积聚耗散的影响,对二2煤进行了单轴压缩循环加载实验,分析得出首次加载、卸载、再加载弹性模量呈正相关关系;随着循环数的增加,弹性应变会表现出倒"U"形变化,塑性应变表现出"U"形变化的规律,由应变引起的弹性模量E、弹性能量指数Wet和能量耗散率Wed都表现出倒"U"形变化的规律,首个平均弹性模量变化率η为30%,耗散的能量j sd呈"U"形变化,当弹性能量指数Wet达到最大值时,冲击现象最容易发生;分析出微裂纹的萌生传播速度随应力振幅的增加而增加,微塑性变形速度也随之增加,弹性能量指数在压密和线弹性阶段随加载程度的增加表现出先增加后减小的趋势,在"弹塑性临界点"达到最大值.