轴向拉伸下氮化钛纳米杆变形机制及力学性能的分子动力学研究

本文使用分子动力学软件包lammps并采用第二近邻改进型嵌入原子法(2NN MEAM)模拟了单晶氮化钛纳米杆的轴向拉伸破坏过程,分析了分别沿[100]、[111]晶向的不同截面尺寸、不同拉伸应变率、不同温度下的氮化钛纳米杆的力学性能,详细描述了氮化钛纳米杆拉伸变形过程。研究发现, 拉伸晶向、截面尺寸、拉伸应变率及温度均会对TiN纳米杆的拉伸变形过程及屈服强度、弹性模量等力学性能产生不同程度的影响。 沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服强度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服强度越大。应变率越大,屈服强度及屈服应变越大,但对于弹性模量几乎无影响。温度越高,材料的屈服强度、屈服应变及弹性模量越小,断裂应变越大。不同拉伸条件下的氮化钛纳米杆的拉伸过程均包括弹性变形、塑性变形与断裂阶段。[100]晶向的弹性模量都要高于[111]晶向。     

纳米金属丝拉伸破坏及其应变率效应

建立了适于研究纳米金属快速变形破坏过程的分子动力学模型,并对不同应变率工况下不同截面尺寸单晶镍纳米丝的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟得到各种纳米镍丝的应力-应变曲线、屈服应变、屈服强度、断裂强度和初始弹性模量,提出了纳米金属丝快速变形力学性能的应变率效应预测公式并加以验证.计算表明金属纳米丝的屈服应变与尺寸和应变率无关,屈服强度、断裂强度和弹性模量与应变率呈对数关系.     

MEMS材料力学性能的测试技术

微电子机械系统(MEMS)技术的迅速崛起,推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展.首先按作用方式将实验分成压痕/划痕、弯曲、拉伸、扭转四大类,系统介绍检测MEMS材料微尺度力学性能的微型试样、测试方法及其实验结果.测试材料主要有硅、氧化硅、氮化硅和一些金属.实验结果主要包括基本的力学性能参数如弹性模量、残余应力、屈服强度、断裂强度和疲劳强度等.最后,简要分析了未来的发展需求.      

空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂力学性能实验研究

制备了一种空心玻璃微珠质量比、四种玻璃纤维质量比的空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂复合泡沫材料。通过一系列准静态压缩、拉伸实验,研究了玻璃纤维填充量对复合材料的密度、强度、弹性模量等性能的影响,并分析了其影响原因。通过三点弯曲实验,研究了复合材料弯曲弹性模量、弯曲强度等力学性能与玻璃纤维填充量的关系。通过拉伸断口SEM照片分析了玻璃纤维增强复合材料力学性能的原因。研究表明:随着玻璃纤维填充量增加,复合材料的拉伸和弯曲强度、压缩屈服极限及弹性模量等力学性能都有较大的提高,且仍然保持了较好的弹性性能和塑性特征。     

材料高温力学性能理论表征方法研究进展

随着科学技术的迅猛发展,材料在高温领域的应用越来越广泛。然而高温下材料的力学性能和常温相比有很大差异,材料的高温力学性能研究和表征已成为当前的研究热点。论文文对材料在高温下力学行为理论表征方法研究的最新进展进行了总结和回顾。着重介绍了近年来高温陶瓷材料的断裂强度、金属材料的屈服强度、弹性模量与本构关系的温度相关性理论表征方法的研究进展。最后,总结已有研究工作的特点和不足之处,对材料高温力学性能理论表征方法的后续研究进行了展望,就进一步研究提供建议。     

梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。     

硅纳米线的分子动力学模拟

本文采用分子动力学软件包LAMMPS研究了无缺陷和有缺陷的硅纳米线的拉伸力学性能,得到其应力-应变曲线,曲线表明拉伸过程中无明显的塑性流动,但会出现颈缩现象;当硅纳米线存在缺陷时,屈服强度减小为无缺陷时的79%;且容易形成单个晶胞被拉伸现象.研究表明,温度对硅纳米线的屈服强度有显著影响,温度升高会大大降低硅纳米线的屈服强度.     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

锂离子电池隔膜的力学性能测量

隔膜是锂离子电池的重要组成部分,其力学性能的综合表现是保证电池电化学性能的关键因素。本文通过单向拉伸实验和数字图像相关(DIC)技术来研究表面涂敷聚偏二氟乙烯的聚乙烯隔膜的基本力学性能;结合工程应力-应变曲线,分别确定了隔膜横轴(TD)和纵轴(MD)方向在不同拉伸速率下的弹性模量和强度;利用DIC技术得到的应变-时间曲线,确定了隔膜TD和MD方向的泊松比。单向拉伸实验表明,隔膜TD和MD方向的弹性模量和极限强度值都与测试方向无关,且拉伸速率越快,弹性模量越大,但极限强度值基本不变。DIC测试结果表明,隔膜TD和MD方向的泊松比也相等。研究发现,与很多已有隔膜具有明显各向异性性质不同,测试隔膜不但具有较高的弹性模量和极限强度,而且具有明显的各向同性性质。     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

含有序孔洞的多孔氧化铝薄膜的弹性模量测量

高纯铝箔在特定的溶液下经过电化学阳极氧化腐蚀，可在其表面生成一层多孔的非晶氧化铝层，孔大致呈六方密排，孔径分布均匀。此类薄膜具有规则的纳米级孔径，大的比表面积，可用在微纳滤方面和纳米材料组装方面。然而，对于此类薄膜力学性能的研究较少，在一定程度上限制其功能的开发和应用。为了获得此类多孔膜的弹性常数，本文用鼓膜法结合散斑干涉实验方法、单轴拉伸结合双光束干涉法和多普勒测振仪三种方法测量氧化铝多孔膜的弹性模量，得到的宏观弹性模量基本相同，并对三种方法的优缺点进行了比较，分析了多孔氧化铝膜与块状氧化铝材料或致密氧化铝膜力学性能的差并。     

Sub-surface fracture of a thin metallic foil under impact loading

We examine here sub-surface fracture of a thin metallic foil sandwiched between two elastomeric layers under impact. In particular we generate a vertical stack consisting of alternate layers of soft elastomers and thin aluminum foils and place it on a rigid substrate; we then allow a rigid sphere to impact the stack from a small vertical height. We show that under impact the foil at the top of the stack undergoes buckling deformation; however the foil sandwiched between the two elastic layers undergoes both deformation and fracture. We show that because of friction at the contacting interfaces with the elastomer, the sandwiched foil is subjected to in-plane stretching which when exceeds a threshold limit causes fracture. Experiments show that this threshold condition is reached within a range of critical thicknesses of the top and bottom elastomeric layers, for a given height of impact of the rigid spherical indenter. We present a theoretical analysis to predict the critical thickness of the stack below which the foil is expected to undergo fracture and also the critical heights within this stack at which the foil would fracture.     

Relationship between single and bulk mechanical properties for zeolite ZSM5 spray-dried particles

In this work typical mechanical properties for a catalyst support material, ZSM5 （a spray-dried granular zeolite）, have been measured in order to relate the bulk behaviour of the powder material to the single particle mechanical properties. Particle shape and size distribution of the powders, determined by laser diffraction and scanning electron microscopy （SEM）, confirmed the spherical shape of the spray-dried particles. The excellent flowability of the material was assessed by typical methods such as the Hausner ratio and the Cart index, This was confirmed by bulk measurements of the particle-particle internal friction parameter and flow function using a Schulze shear cell, which also illustrated the low compressibility of the material. Single particle compression was used to characterize single particle mechanical properties such as reduced elastic modulus and strength from Hertz contact mechanics theory. Comparison with surface properties obtained from nanoindentation suggests heterogeneity, the surface being harder than the core. In order to evaluate the relationship between single particle mechanical properties and bulk compression behaviour, uniaxial confined compression was carried out. It was determined that the Adams model was suitable for describing the bulk compression and furthermore that the Adams model parameter, apparent strength of single particles, was in good agreement with the single particle strength determined from single particle compression test.     

An indentation technique for estimating the energy density as fracture toughness with Berkovich indenter for ductile bulk materials

A technique is proposed to estimate the energy density as fracture toughness for ductile bulk materials with an indentation system equipped with a Berkovich indenter based on the theory of plastic deformation energy transforming into the indentation energy of fracture. With progressive increase of penetration loads, the material damage is exhibited on the effective elastic modulus. A quadratic polynomial relationship between the plastic penetration depth and penetration load, and an approximate linear relationship between logarithmic plastic penetration depth and logarithmic effective elastic modulus are exhibited by indentation investigation with Berkovich indenter. The parameter of damage variable is proposed to determine the critical effective elastic modulus at the fracture point. And the strain energy density factor is calculated according to the equations of penetration load, plastic penetration depth and effective elastic modulus. The fracture toughness of aluminum alloy and stainless steel are evaluated by both indentation tests and K_IC fracture toughness tests. The predicted S_cr values of indentation tests are in good agreement with experimental results of CT tests.     

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧一脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

Mechanical properties of ultrananocrystalline diamond thin films relevant to MEMS/NEMS devices

The mechanical properties of ultrananocrystalline diamond (UNCD) thin films were measured using microcantilever deflection and membrane deflection techniques. Bending tests on several free-standing UNCD cantilevers, 0.5 μm thick, 20 μm wide and 80 μm long, yielded elastic modulus values of 916–959 GPa. The tests showed good reproducibility by repeated testing on the same cantilever and by testing several cantilevers of different lengths. The largest source of error in the method was accurate measurement of film thickness. Elastic modulus measurements performed with the novel membrane deflection experiment (MDE), developed by Espinosa and co-workers, gave results similar to those from the microcantilever-based tests. Tests were performed on UNCD specimens grown by both micro and nano wafer-seeding techniques. The elastic modulus was measured to be between 930–970 GPa for the microseeding and between 945–963 GPa for the nanoseeding technique. The MDE test also provided the fracture strength, which for UNCD was found to vary from 0.89 to 2.42 GPa for the microseeded samples and from 3.95 to 5.03 for the nanoseeded samples. The narrowing of the elastic modulus variation and major increase in fracture strength is believed to result from a reduction in surface roughness, less stress concentration, when employing the nanoseeding technique. Although both methods yielded reliable values of elastic modulus, the MDE was found to be more versatile since it yielded additional information about the structure and material properties, such as strength and initial stress state.     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.     

在役设备材料断裂力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之二

20多年以来, 用小型试件的小冲杆实验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展. 小冲杆实验的试样虽然还没有标准, 但一般均采用直径为3～10mm,厚度为0.1～0.5mm的圆片试样.这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、断裂形态转变温度、断裂韧性、蠕变性能以及表示塑性硬化和韧性损伤的微观力学参数和黏塑性性能等各种力学性能.该方法兼具取样方便和几乎无损的优点,非常适用于那些无法取出传统试样或取样不经济的场合,因此引起科技界和工业界的关注.本文综述了小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料断裂形态转变温度、断裂韧性和主曲线的移动温度的各种计算方法研究进展.