金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

金属材料的强度与应力–应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analytical spherical indentation, SSI)模型.通过球压入载荷–深度试验关系获得材料的应力–应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力–应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.     

磨料水射流冲蚀金属损伤形貌特征及机理研究

针对前混合磨料水射流冲蚀过程,进行了冲蚀试验及仿真研究.从试验中得到了材料冲蚀损伤形貌特征.采用SPH耦合FEM方法建立相应的冲蚀模型,对材料冲蚀过程进行模拟分析,揭示了材料损伤形貌特征产生的机理.结果表明:随着冲蚀深度的增加,磨料颗粒的冲蚀动能逐渐减小,冲蚀角度逐渐增大,材料冲蚀损伤由微切削和微犁削逐渐变为冲击变形,材料冲蚀损伤断面的形貌特征逐渐恶化,具体表现为拖尾角和表面粗糙度逐渐增大.不同金属材料损伤断面形貌特征具有相似性,但是金属材料属性的差异会对磨料冲蚀过程产生影响,导致条纹在材料损伤断面上的分布和条纹角度出现差异.由于材料损伤形貌特征受控于磨料颗粒运动特性,因此材料冲蚀断面质量改善应该从改变磨料颗粒运动特性角度出发,这为进一步研究材料冲蚀断面质量改进奠定了理论基础.     

受有两级空洞损伤时韧性材料的力学行为

本文利用大应变有限元方法研究了两级空洞对韧性材料的损伤作用.模型是以轴对称圆柱基体作为胞元,内含一初始的球型空洞.基体内的应力/应变随胞元外载的增大而达到临界状态,从而在围绕初级空洞的基体内将萌生次级空洞.后者是由空单元实现的.两级空洞的交互作用被证明将促进材料中的空洞化现象从而加速损伤并导至材料的总体弹性模量值在临近破断时急剧下降.     

仪器柔度标定误差对两种压入测试方法的精度影响

针对目前最具代表性的两种压入测试方法:Oliver-Pharr方法和Ma方法,通过有限元数值模拟分析了仪器柔度标定误差对测试精度的影响.结果表明仪器柔度的标定精度直接影响压入测试结果的准确度,尤其是当材料较软且压入深度较大时更为显著;对同一材料,压入载荷越大,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差越大;在同一压入深度下,针对不同材料,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差差别不大;就测试方法而言,Ma方法具有比Oliver-Pharr方法更高的精度和更低的仪器柔度敏感性.     

边坡岩体质量分级的模糊层次分析

基于深度测量压入方法，以材料试验机Instron 5848 Microtester作为加载平台，外接高分辨力位移传感器，设计专用夹具，开发出该材料试验 机的宏观压入功能. 研究发现：对于机架柔度，无需再进行修正；对于压针接触面积， 可用相关的方法计算. 采用Oliver-Pharr方法处理测试数据，可获得材料的 硬度和弹性模量. 为了验证试验的可靠性，选用5种典型金属材料，将宏观压入测试结果与 MTS Nano Indenter XP测试结果进行对比，二者基本一致，其分散性均在10{\%}以内. 显示了开发传统材料试 验机宏观压入测试功能的可行性.     

应用微相关技术研究裂端弹塑性变形

测量裂端附近区域的弹塑性变形,对于研究材料的损伤或微裂纹的产生,获得材料早期的损伤信息,为预防宏观裂纹的产生及扩展具有十分重要的意义.本文用A3钢材料制作边缘带裂纹的显微拉伸试件,试件表面进行了金相处理.试件是用由计算机控制的显微拉伸台进行加载试验.在加载过程中,利用环境扫描电镜对裂端附近的显微结构进行原位观察以及扫描记录.应用数字散斑相关技术对扫描电子显微镜记录的显微结构图进行分析处理,求出裂端附近的弹塑性变形.借助扫描电子显微镜,不仅可以定性观察应力集中区微裂纹的萌生及扩展过程,还可以结合数字散斑相关技术,对微区内的弹塑性变形进行测试,是研究微区域内材料变形的一个有效手段.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

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。     

材料的微结构损伤与韧性断裂

Ⅰ.前言50年代起至60年代,国际上开展了材料宏观力学性能的大量研究,提出了应力强度因子K和J积分,确定了断裂韧性参数的测定方法,创立了断裂力学学科并制定了规范,对材料的断裂、疲劳性能的预测和安全设计做出了很大贡献。进入70年代后开始注意到现有技术远远不能认识和控制各类裂纹的起因和发展。例如,K和J不能解决裂纹的稳态扩展、复      

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

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．     

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.     

Estimation of Fracture Toughness of Metallic Materials Using Instrumented Indentation: Critical Indentation Stress and Strain Model

We propose a generalized approach based on fracture mechanics and contact mechanics to estimate the fracture toughness in metallic materials from instrumented indentation testing. Models were developed for brittle and ductile fracture. Different criteria were applied to each model to determine the critical fracture point during indentation. For brittle fracture, the critical fracture point was defined in terms of the critical mean pressure; for ductile fracture, the critical fracture point was derived from fracture strain and critical plastic zone size. Each fracture criterion was used to determine the indentation fracture energy corresponding to the fracture energy required for crack extension. The fracture toughness was estimated for various metallic materials using each model and compared with standard fracture toughness tests.     

Spherical indentation of incompressible rubber-like materials

In recent years, indentation tests have been proven very useful in probing mechanical properties of small volumes of materials. However, a class of materials that very little has been done in this direction is rubber-like materials (elastomers). The present work investigates the spherical indentation of incompressible rubber-like materials. The analysis is performed in the context of second-order hyperelasticity and is accompanied by finite element computations and an extensive experimental program with spherical indentors of different radii. Uniaxial tensile tests were also performed and it was found that the initial elastic modulus correlates well with the indentation response. The experiments suggest stiffer indentation response than that predicted by linear elasticity, which is somehow counter-intuitive, if the uniaxial material response is to be considered. Regarding the uniqueness of the inverse problem, that is to establish material properties from spherical indentation tests, the answer is disappointing. We prove that the inverse problem does not give unique answer regarding the constitutive relation, except for the initial stiffness.     

A New Application of Dynamic Indentation: Indentation Machining Technology

While the indentation method is an excellent way to evaluate the mechanical properties of various sizes of materials, from the nano-scale to the macro-scale, its applications have been limited to measuring mechanical properties. In this study we propose a new application of the dynamic indentation method, in an indentation machining technology for mass-production. The core idea is that the array of residual indentations generated by dynamic indentation testing can be used to fabricate a lens array suitable for thinner and brighter displays. We developed an advanced system from a dynamic indentation system, whose maximum speed and maximum specimen size were about 10Hz and 250 mm*250 mm, respectively. Using dual actuating heads this system was used to produce arrays of lenses having depths of 1 μm to 6 mm. Pile-up is a critical reason why indentation machining technology had been not widely used in display industries. Since lower pile-up is observed in more ductile copper-based metals, we increased the annealing time of the metal molds to reduce the amount of pile-up. Then, following a quantitative analysis of the annealing heat treatment and resulting amount of pile-up, a lens array was successfully machined on a metal mold fabricated by the developed system. The machined metal mold was used to manufacture optical plates for a lens array. The results verified that the indentation machining technology proposed in this study, based on the dynamic indentation method, can be applied for the manufacturing of optical components for better displays.     

基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法

针对超弹性材料压入问题, 本文基于能量密度中值等效原理, 提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model, SHIM), 进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法(indentation method due to dual indenters, IMDI). 正向验证表明, 基于系列超弹性材料的本构关系参数, 由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis, FEA)结果之间密切吻合; 反向验证表明, 基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线, 由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合. 针对3种超弹性橡胶, 完成了球、平面、锥压入试验, 应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.