基于应变率阶跃测试的晶体铜压入应变率敏感性研究

纳米压入测试可以原位获取材料的诸多力学性能,包括弹性模量,硬度,屈服应力,应变率敏感指数等。本文利用应变率阶跃测试技术对多晶铜试样的应变率敏感性进行测试分析,硬度-位移曲线表明压头下方所存在的变形梯度对各阶跃应变率下的硬度值存在明显影响;采用基于晶体细观机制的塑性应变梯度理论对压入变形梯度效应予以修正,比较了修正与未修正数据所得的应变率敏感指数,在有效剔除压入变形梯度影响的基础上,应变率阶跃测试可实现单次压入下材料应变率敏感性的测试表征。     

Ti、TiN、TiO2改性层的纳米力学性能测试与分析

采用等离子表面合金化技术,分别在316L不锈钢表面制备出渗Ti改性层、渗TiN改性层和TiO2改性层薄膜.使用连续刚度法,从截面方向和表面方向对改性层进行纳米压痕实验,研究改性层的纳米力学性能.实验测得材料在压痕过程中的载荷—位移曲线以及硬度和模量随压入深度的连续变化值.结果表明,改性层纳米力学特性表现为各向异性;TiN改性层的力学性能表现良好.TiO2改性层由渗Ti改性层经氧化制成,二者的弹性模量和硬度在截面方向上变化规律相似,在表面方向上数值相近.     

焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究

基于纳米压痕技术,对转子钢焊接接头不同区域（母材、焊缝和热影响区）开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究．首先,通过压入位移控制的单向压痕实验,采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征,同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析;其次,对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验,比较其压入深度随循环周次的演化特征．结果表明,焊接接头不同区域力学性能差异较大,热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高,焊缝次之,母材最弱;三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征,且母材演化速度高于焊缝,高于热影响区．研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义．     

选择性激光熔化316L不锈钢在不同成形策略下的冲击性能研究

采用选择性激光熔化(SLM)成形系统HK M250制备了垂直于Z轴的水平类型和平行于Z轴的垂直类型等多种工况的316L不锈钢冲击试样,并对试样缺口采取了SLM直接成形和机械加工成形两种方式。在室温条件下进行了316L不锈钢冲击实验,使用KEYENCE光学成像系统和扫描电镜观察了试样断口形貌,并用扫描电镜观察了不同成形截面的微观组织。实验结果表明,通过机械加工制作缺口相比于SLM直接成形缺口,其试样冲击性能更好;对于两种缺口制作方式,T(t)类型试样的冲击功明显低于H(h)类型试样,这主要是由于T(t)类型试样承载截面的内部缺陷多于H(h)类型试样,从而降低了其冲击功。     

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压入深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

表面机械滚压处理(SMRT)316L不锈钢梯度纳米层在腐蚀介质下的摩擦学行为研究

采用表面机械滚压处理(surface mechanical rolling treatment，SMRT)技术在316L奥氏体不锈钢表面构筑了梯度纳米结构层. 利用透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪等分析其微观组织、力学性能等基础上，重点探讨了SMRT前后316L在1 mol/L HCl溶液(以纯水环境作为对比组)中的摩擦学行为. 结果表明:经SMRT加工后316L表面梯度纳米晶层厚度达200 μm以上，表面硬化层厚度超过1.5 mm，表面硬度提升至基体近2倍；SMRT大大减缓了材料磨损，与基体试样相比，SMRT试样在腐蚀介质下减摩效果比纯水环境更明显，且在腐蚀环境下表现出优异的耐腐蚀性能，其磨损机制由处理前伴随严重剥落特征的疲劳磨损和磨粒磨损转变为轻微疲劳磨损. 因此，316L不锈钢机械滚压梯度纳米层在腐蚀服役环境下具有较高的潜在工程应用价值.      

平头压痕试验确定热障涂层弹性模量的方法研究

本文模拟了典型热障涂层(TBC)结构在平头压痕作用下的力学响应,重点研究利用平头压痕法确定TBC涂层弹性模量的方法。研究发现k(单位压入应力下压头的压入位移)不仅与材料的性质有关,还与压头的半径有关。本文提出:通过两个不同尺寸的平压头可以同时确定陶瓷层和粘结层的弹性模量。     

基于微纳米压入法的高熵合金柏氏矢量研究

采用微纳米压入法对CoCrFeNiMn高熵合金进行多种应变率下的压入测试研究,实验获得了材料硬度与压深之间的关系并通过计算分析得到了其不同工况下的柏氏矢量值,探究了压入深度和应变率对柏氏矢量的影响．实验结果表明,所测材料柏氏矢量值在一定范围内呈现出一定的波动性,随着压深的增大,柏氏矢量表现出尺寸效应,即柏氏矢量随压深呈增加趋势;并且在同等压深下,柏氏矢量存在率效应,随着应变率的增加,柏氏矢量值先减小后增加,柏氏矢量从滑移主导向原子失配主导的转变是其率效应转变的主要原因．     

准脆性单晶材料动态压痕试验研究

本研究设计了由钛合金压杆与金刚石压头组成的动态压痕试验装置,研究准脆性单晶材料(冰糖和RDX含能晶体)等的高应变率响应。试验装置引入了动量缓冲块,可以避免压杆造成的多次压痕加载,对样品施加产生80μs脉冲宽度的动态压痕载荷。对比了多次与单次加载压痕加载的冰糖单晶压痕坑,其动态硬度值约为5.18MPa。RDX单晶在压痕载荷作用下非常容易发生断裂破碎,测得动态硬度值为1.304MPa。相比RDX单晶,冰糖单晶的塑性变形能力更好。用光学显微镜观察到了压痕坑的径向裂纹和侧边裂纹,试验研究给出了准脆性晶体在动态压痕载荷下的裂纹扩展模式。     

A new reverse analysis to determine the constitutive response of plastically graded case hardened bearing steels

A new reverse analysis is presented that determines the plastic response of both nongraded and plastically graded materials (PGMs) without the need for traditional tension or compression tests. The method utilizes the concepts of expanding cavity model for strain hardening materials, Tabor’s rule of converting Vickers hardness to flow stress, representative plastic strain induced by indentation, and finite element modeling of the macro indentation process. A unique flow curve is determined when the experimentally measured increase in micro Vickers hardness matches that predicted by the proposed method within the plastic zone of a macro Vickers indent. The method is validated for a nongraded stainless steel first and then extended to determine the gradient in flow curves of plastically graded, case-hardened M50 NiL material, a widely used bearing steel. Such knowledge of the plastic response of the case hardened region will help optimize the design of case hardened bearings with longer rolling contact fatigue life and higher thrust load capabilities.     

Effects of laser power density on static and dynamic mechanical properties of dissimilar stainless steel welded joints

The mechanical properties of laser welded joints under impact loadings such as explosion and car crash etc. are critical for the engineering designs. The hardness, static and dynamic mechanical properties of AISI304 and AISI316 L dissimilar stainless steel welded joints by CO₂ laser were experimentally studied. The dynamic strain-stress curves at the strain rate around 10³ s^?1 were obtained by the split Hopkinson tensile bar (SHTB). The static mechanical properties of the welded joints have little changes with the laser power density and all fracture occurs at 316 L side. However, the strain rate sensitivity has a strong dependence on laser power density. The value of strain rate factor decreases with the increase of laser power density. The welded joint which may be applied for the impact loading can be obtained by reducing the laser power density in the case of welding quality assurance.     

CrN和CrAlN涂层海水环境摩擦学性能研究

采用多弧离子镀在316L不锈钢上沉积CrN和CrAlN涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并用纳米压痕和划痕仪测试其硬度和结合力.采用UMT-3往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试.结果表明:CrN和CrAlN涂层在海水中摩擦系数相差不大,而316L摩擦系数明显大于涂层,且摩擦系数震荡剧烈,表明316L在海水中润滑性较差.涂层在海水中磨损率远小于316L,且CrAlN涂层比CrN涂层在海水环境中具有更优的耐磨性.CrN涂层的磨痕表面出现大量剥落坑,这是由于CrN涂层表面的大颗粒剥落形成的.而CrAlN涂层致密的结构、较为优越的耐蚀性以及摩擦时产生的具有自润滑效果的Al2O3保护层,使其在硬度值较低的情况下仍具有优异的耐磨性.因此海水环境中摩擦性能需综合考虑材料的机械性能、结构、耐蚀性以及耐磨性.     

不锈钢表面等离子合金化渗铜层的纳米力学性能研究

为了研究不锈钢渗铜层的纳米力学性能,本文采用等离子表面合金化技术在304不锈钢表面制备了渗铜层。利用纳米压入硬度仪,采用连续刚度测试法,对渗铜层以及不锈钢基体的表面和横截面的纳米力学性能进行了测试,得到了纳米压入过程的载荷-压入深度曲线,发现渗铜层抵抗外载荷的能力低于不锈钢基体。并得到了渗铜层和不锈钢基体的表面、横截面方向的硬度以及杨氏模量,经对比得到渗铜层的杨氏模量和硬度都要比不锈钢基体的低,并且渗铜层的力学性能表现出各向异性。对纳米压入的数据进行分析,发现渗铜层在小尺度压入时硬度和杨氏模量表现出明显的"尺度效应"。     

Measuring Multiple Residual-Stress Components using the Contour Method and Multiple Cuts

The conventional contour method determines one component of residual stress over the cross section of a part. The part is cut into two, the contour (topographic shape) of the exposed surface is measured, and Bueckner’s superposition principle is analytically applied to calculate stresses. In this paper, the contour method is extended to the measurement of multiple residual-stress components by making multiple cuts with subsequent applications of superposition. The theory and limitations are described. The theory is experimentally tested on a 316L stainless steel disk with residual stresses induced by plastically indenting the central portion of the disk. The multiple-cut contour method results agree very well with independent measurements using neutron diffraction and with a computational, finite-element model of the indentation process.     

温压成型和微波烧结TiC/316L 复合材料的摩擦磨损特性

为提高TiC/316L不锈钢复合材料的致密度和力学性能,采用温压成型和微波烧结复合方法制备了质量百分数为5%的TiC/316L复合材料.在MM-200型环块磨损试验机上研究了复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,并与传统粉末冶金法制备的复合材料耐磨性能进行了对比研究.结果表明:与传统粉末冶金法相比,在相同的烧结温度下,采用温压成型和微波烧结制备的TiC/316L复合材料虽然内部也存在一些孔隙,但组织比较均匀,烧结比较充分,复合材料的致密度和耐磨性均得以提高.随着温压压制压力的增加,复合材料的相对密度和耐磨性快速增加,但过高的压制压力不利于耐磨性的提高.摩擦磨损试验结果表明在压制压力为400 MPa时,复合材料的耐磨性较好.     

外加极化电位对316L不锈钢微动磨蚀行为的影响

采用球－平面接触微动磨损试验机考察了轧制固溶316L不锈钢在不同极化状态下的微动磨蚀行为。结果表明：在阳极极化状态下,随着极化电位的升高,腐蚀疲劳微断裂作用增强,促进了微动损伤过程的发展;在阴极保护状态下,摩擦系数随微动过程的变化规律及微动损伤形貌与阳极极化态下的存在显著差异,在阴极极化态下,微动磨擦副之间的粘着导致较高的微动摩擦应力状态,但与阳极极化态相比并未产生严重损伤。     

The Nano-Jackhammer effect in probing near-surface mechanical properties

Because of its ease of implementation and insensitivity to indenter drift, dynamic indentation techniques have been frequently used to measure mechanical properties of bulk and thin film materials as a function of indenter displacement. However, the actual effect of the oscillating tip on the material response has not been examined. Recently, it has been shown that the oscillation used with dynamic indentation techniques alters the measured hardness value of ductile metallic materials, especially at depths less than 200 nm. The alteration in the hardness is due to the added energy associated with the oscillation which assists dislocation nucleation. Atomistic simulations on nickel thin films agree with experiments that more dislocations are nucleated during dynamic indents than with quasi-static indents. Through the analysis of quasi-static and dynamic indents made into nickel single crystals and thin films, a theory to describe this phenomenon is presented. This is coined the Nano-Jackhammer effect, a combination of dislocation nucleation and strain rate sensitivity caused by indentation with a superimposed dynamic oscillation.