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相似文献
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1.
纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究   总被引:18,自引:3,他引:15  
采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程,三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头.介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式,讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响,进行了计算结果与标准试样实验结果的比较,证实了模拟的可靠性.在此基础上,重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响.对比分析了尖端曲率半径r=0与r=100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线.结果表明,当压头尖端曲率半径r≠0时,基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法,压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高.  相似文献   

2.
杨燕勤  潘家祯 《力学季刊》2008,29(1):166-172
采用纳米压痕技术和数值模拟研究灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.利用原位纳米力学测试与分析系统,测试灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.得到了载荷--位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值.并用有限元方法模拟压痕过程,利用ANSYS软件,按照灵芝孢子孢壁和Berkovich压头的结构,建立了二维计算模型,得到纳米压痕的等效应力分布以及压痕过程中加载和卸载时的载荷--位移曲线.考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响.结果显示:灵芝孢子孢壁的平均弹性模量为2.0GPa,硬度为0.13GPa.模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷--位移关系基本一致.摩擦、压头尖端半径小于100nm时对模拟结果不会造成明显影响.研究结果为分析孢子的破壁机理提供必要参数.  相似文献   

3.
考虑压头曲率半径和应变梯度的微压痕分析   总被引:2,自引:0,他引:2  
在压头尖端曲率半径取100nm的前提下,采用Chen和Wang的应变梯度理论,对微压痕实验进行了系统的数值分析. 首先通过拟合载荷-位移实验曲线的后半段来确定材料的屈服应力和幂硬化指数值,然后用有限元方法数值模拟压痕实验,并将计算得到的整段载荷-位移曲线及硬度-位移曲线和实验结果进行了比较. 结果表明应变梯度理论所预测的计算结果和实验结果很好地符合,包括压痕深度在亚微米和微米范围内的整段曲线.  相似文献   

4.
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.  相似文献   

5.
采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.  相似文献   

6.
赵彬  许宝星  岳珠峰 《力学季刊》2008,29(1):144-149
采用有限元方法分析了圆锥压头、球形压头和圆柱形平压头作用下铝合金(2A12)的压痕蠕变行为,给出了三种压头作用下的等效蠕变应变、压痕深度-时间曲线和硬度-时间曲线.对于给定尺寸的三种压头,在相同载荷作用下,圆锥压头作用下的最大等效蠕变应变最大,圆柱形平压头作用下的最大等效蠕变应变最小;不同形状压头的压痕深度-时间曲线相似,由"瞬态蠕变"和"稳态蠕变"两段组成;而硬度随时间和压痕深度均呈现递减的趋势,不存在稳态数值.结果表明,在研究高温压痕蠕变现象、确定材料蠕变参数方面,平压头具有相当的优势:压头下方的应力场相对稳定,可不考虑摩擦和堆积的影响,计算简便准确.  相似文献   

7.
为研究两种沸石分子筛方钠石SOD和镁碱沸石FER的力学性能,采用纳米压痕技术,测得随载荷连续变化的位移,得到载荷-位移曲线图.根据Olive算法,利用接触刚度连续测量技术,得到这两种沸石分子筛的硬度及弹性模量.基于弹塑性双线性本构关系假定,用ANSYS有限元程序模拟纳米压痕实验过程,利用搜索法得到沸石大单晶SOD和FER的双线性本构关系.  相似文献   

8.
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.  相似文献   

9.
刘明  侯冬杨  高诚辉 《力学学报》2021,53(2):413-423
压痕法是测量材料断裂韧性 ($K_{\rm IC})$ 的常用方法之一, 如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式, 是当前面临的一大问题. 因此,在不同载荷下对单晶硅 (111) 和碳化硅 (4H-SiC, 0001面) 这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验, 对实验产生的裂纹长度$c$进行了统计分析, 并采用13个压痕公式计算材料的$K_{\rm IC}$, 开展了微米划痕实验, 验证压痕法评估半导体材料$K_{\rm IC}$的适用性. 研究结果表明: 为了消除维氏压痕实验产生的$c$的固有离散性, 需要多次测量取平均值; 裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大; 材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹, 高载荷下表现为中位裂纹; 与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的$K_{\rm IC}$平均值 (分别为0.96 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$和2.89 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$) 相比, 在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的$K_{\rm IC}$计算公式; 基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的$K_{\rm IC}$, 且维氏压头下的$K_{\rm IC}$与玻氏压头下$K_{\rm IC}$的关系不是理论上的1.073倍, 应为1.13$\pm 压痕法是测量材料断裂韧性(K_(IC))的常用方法之一,如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式,是当前面临的一大问题.因此,在不同载荷下对单晶硅(111)和碳化硅(4H-Si C, 0001面)这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验,对实验产生的裂纹长度c进行了统计分析,并采用13个压痕公式计算材料的K_(IC),开展了微米划痕实验,验证压痕法评估半导体材料K_(IC)的适用性.研究结果表明:为了消除维氏压痕实验产生的c的固有离散性,需要多次测量取平均值;裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大;材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹,高载荷下表现为中位裂纹;与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的K_(IC)平均值(分别为0.96 MPa·m~(1/2)和2.89 MPa·m~(1/2))相比,在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的K_(IC)计算公式;基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的K_(IC),且维氏压头下的K_(IC)与玻氏压头下K_(IC)的关系不是理论上的1.073倍,应为1.13±0.01.  相似文献   

10.
GTN模型参数的选择一直是小冲杆模拟中一个至关重要的环节,其正确与否直接影响着模拟得到的载荷-位移曲线的正确性。以16MnR材料作为研究对象,结合拉伸试验与小冲杆试验的实验结果,逐步确定出有限元模拟中的GTN模型参数。本文重点介绍了参数fN,fc,ff的确定方法。结果发现,拟合的载荷位移曲线不具有唯一性。为了验证所用方法的正确性,增加了试样断后减薄率作为另一评判标准。这一做法后来证明是可行的。这说明载荷位移曲线不能作为判断GTN参数正确的唯一准则,而增加的断后减薄率作为另一判断标准,对此方法有很好的辅助作用。上述结果可为小冲杆实验的有限元模拟夯实基础。  相似文献   

11.
The conventional method to extract elastic properties in the nanoindentation of linearly elastic solids relies primarily on Sneddon’s solution (1948). The underlying assumptions behind Sneddon’s derivation, namely, (1) an infinitely large incompressible specimen; (2) an infinitely sharp indenter tip, are generally violated in nanoindentation. As such, correction factors are commonly introduced to achieve accurate measurements. However, little is known regarding the relationship between the correction factors and how they affect the overall accuracy. This paper first proposes a criterion for the specimen’s geometry to comply with the first assumption, and modifies Sneddon’s elastic relation to account for the finite tip radius effect. The relationship between the finite tip radius and compressibility of the specimen is then examined and a composite correction factor that involves both factors, derived. The correction factor is found to be a function of indentation depth and a critical depth is derived beyond which, the arbitrary finite tip radius effect is insignificant. Techniques to identify the radius of curvature of the indenter and to decouple the elastic constants (E and ν) for linear elastic materials are proposed. Finally, experimental results on nanoindentation of natural latex are reported and discussed in light of the proposed modified relation and techniques.  相似文献   

12.
考虑压头曲率半径的J2形变理论压痕有限元分析   总被引:1,自引:1,他引:0  
采用经典J2形变理论,在考虑压头曲率半径的前提下,针对几组微压痕实验进行了有限元数值模拟,给出理论计算结果并与实验进行了系统比较.结果发现考虑了压头曲率半径后的经典J2形变理论得到的整段计算曲线不能和实验曲线吻合,可以推理出即使考虑压头曲率半径的的影响,经典J2形变理论也不能很好地解释实验现象.  相似文献   

13.
纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力   总被引:1,自引:0,他引:1  
为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力.建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371±89 MPa.该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性.  相似文献   

14.
贺屹  蔡力勋  陈辉  彭云强 《力学学报》2018,50(3):579-588
表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.   相似文献   

15.
运用有限元数值计算方法,对含内缺口的环形试件在受到与缺口对称面成不同角度的载荷作用下,缺口前端附近的弹塑性场分布特征进行了研究,得到了缺口前端应力和应变场以及塑性区的变化情况,此外,选取缺口弧度不同的模型,探讨了缺口顶端钝化程度对弹生场的影响,为了对计算结果的可靠性进行评价,运用高精度云纹干涉实验力学方法进行了验证性试验,试验得到的位移,应变分布情况与计算结果基本吻合。文中得到的结果为钝口试件的材  相似文献   

16.
Carbon nanotubes (CNT), grown on a substrate, form a turf – a complex structure of intertwined, mostly nominally vertical tubes, cross-linked by adhesive contact and few bracing tubes. The turfs are compliant and good thermal and electrical conductors. In this paper, we consider the micromechanical analysis of the turf deformation reported earlier, and develop a phenomenological constitutive model of the turf. We benchmark the developed model using a finite element implementation and compare the model predictions to the results two different nanoindentation tests.The model includes: nonlinear elastic deformation, small Kelvin–Voigt type relaxation, caused by the thermally activated sliding of contacts, and adhesive contact between the turf and the indenter. The pre-existing (locked-in) strain energy of bent nanotubes produces a high initial tangent modulus, followed by an order of magnitude decrease in the tangent modulus with increasing deformation. The strong adhesion between the turf and indenter tip is due to the van der Waals interactions.The finite element simulations capture the results from the nanoindentation experiments, including the loading, unloading, viscoelastic relaxation during hold, and adhesive pull-off.  相似文献   

17.
The extended finite element method is used to analyze a plate with two parallel edge cracks impacted by a cylindrical projectile. The influence of the impact speed, crack length,plate thickness and notch tip radius on the crack initiation and propagation is studied. Dynamics equations are solved by an implicit time integration scheme which is unconditionally stable. Very good agreement is achieved between numerical predictions and experimental results. The critical velocity of the crack initiation under different conditions is examined. The influence of the crack length is greater than that of the impact speed, plate thickness and notch tip radius.  相似文献   

18.
The mechanical properties of a molding compound on a packaged integrated circuit (IC) were measured by spherical nanoindentation using a 50 μm radius diamond tip. The molding compound is a heterogeneous material, consisting of assorted diameters of glass beads embedded in an epoxy. Statistical analysis was conducted to determine the representative volume element (RVE) size for a nanoindentation grid. Nanoindentation was made on the RVE to determine the effective viscoelastic properties. The relaxation functions were converted to temperature-dependent Young’s modulus at a given strain rate at several elevated temperatures. The Young’s modulus values at a given strain rate from nanoindentation were found to be in a good agreement with the corresponding data obtained from tensile samples at or below 90 °C. However, the values from nanoindentation were significantly lower than the data obtained from tensile samples when the temperature was near or higher than 110 °C, which is near the glass transition. The spatial distribution of the Young’s modulus at a given strain rate was determined using nanoindentation with a Berkovich tip. The spatial variation of the Young’s modulus at a given strain rate is due to the difference in nanoindentation sites (glass beads, epoxy or the interphase region). A graphical map made from an optical micrograph agrees reasonably well with the nanoindentation results.  相似文献   

19.
In order to determine the influence of internal interfaces on the material’s global mechanical behavior, the strength of single interfaces is of great interest. The experimental framework presented here enables quantitative measurements of the initiation and propagation of interfacial cracks on the microscale. Cantilever beams are fabricated by focused ion beam milling out of a bulk sample, with an interface of interest placed close to the fixed end of the cantilever. Additionally, a U-notch is fabricated at the location of the interface to serve as a stress concentrator for the initiation of the crack. The cantilevers are then mechanically deflected using a nanoindentation system for high resolution load-displacement measurements. In order to determine the onset and propagation of damage, the stiffness of the cantilevers is recorded by partial unloads during the test as well as by making use of a continuous stiffness technique. A finite element model is used to normalize the load and stiffness in order to establish the framework for comparisons between different interfaces.  相似文献   

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