残余应力及尺寸效应对纳米压痕力学性能的影响研究

为研究残余应力对材料纳米压痕力学性能存在的影响,本文基于低阶应变梯度塑性理论(CMSG),提出了一个采用位错密度描述残余应力的理论模型。根据该理论模型构造了相应的数值积分方案,并结合有限元模型数值分析了尺寸效应和初始残余应力对纳米压痕力学性能的影响。模拟结果发现,残余应力对材料硬度和纳米压痕载荷-位移曲线有显著影响。残余压应力几乎不影响塑性影响区的大小,但由于压痕产生的压应力场和残余压应力场叠加,使得产生压痕后的应力值更大,而残余拉应力对塑性影响区有较大影响。残余应力的存在会导致样品内位错快速增殖,位错密度几乎是无残余应力的10倍。此外,该模型成功地预测了压痕尺寸效应(ISE),即随着压痕深度减小,硬度增加。模型预测结果与已有实验结果的误差在16%以内,从而验证了模型的有效性。     

用压痕法研究玻璃的动疲劳强度

本文借助扫描电镜在对带压痕的钠钙硅玻璃试件的断面分析中，提出了理想的径向裂纹模型，分析了由压痕引起的表面接触残余应力裂纹长短对裂纹在开裂纹在开裂和亚监界扩展区的疲劳强度的影响，并设计了相应的强度实验进行了比较。     

硅晶体纳米压痕试验与应力场分析

采用纳米压入法测量了4种硅晶体的微压痕特性,讨论了加载过程与卸载过程的特征,分析了硅晶体的纳米压入测量结果,同时计算了硅晶体中的应力分布,计算结果表明,剪应力为硅晶体微薄片剥落失效的原因。     

显微拉曼光谱力学实验方法与应用研究进展

显微拉曼光谱是近十余年来实验力学领域迅速发展的一种实验应力分析新方法.相比于大多数的光测力学方法,显微拉曼能够实现对应力/应变相对直接的表征,具有高空间分辨、高测试效率、无损非接触等特点,适合于原位、在线、活体测量.其对本征和非本征应力均敏感,并能够开展多物理参量的协同表征,是当前实验力学领域新方法研究的国际前沿之一,也是微纳米力学实验分析的重要手段.本文首先介绍了显微拉曼力学表征的实验原理,随后论述了拉曼光谱用于力学研究的若干关键技术,然后综述了基于显微拉曼实验的力学前沿研究进展,最后讨论了显微拉曼光谱在实验固体力学领域的发展前景与方向.本文通过对显微拉曼光谱力学实验方法最新理论、技术与应用进展的综述,为从事微尺度、多尺度力学实验领域的科研工作者提供较为系统的信息参考,同时为那些对微尺度光谱力学感兴趣的青年科研人员提供本领域系统全面的知识.     

硅基底多层薄膜结构材料残余应力的微拉曼测试与分析

针对MEMS器件制备中两种典型的硅基底多层薄膜结构的残余应力问题,本文提出了利用微拉曼光谱技术测量其残余应力的方法,分析并给出了硅基底多层薄膜结构中的残余应力分布规律。实验结果表明,在硅基底和薄膜内存在较大的工艺残余应力,残余应力在基底内靠近薄膜两侧部分呈非线性变化,在基底内主要呈线性变化,并引起基底整体翘曲。基于实验结果分析,提出了硅基底多层薄膜结构的分层结构模型。本文工作表明微拉曼光谱技术是测量与研究硅基底多层薄膜结构残余应力的一种有力手段。     

压头不同晶向下纳米压痕的多尺度研究

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕的影响,采用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程。通过对比不同晶向下压头在薄膜上触发的原子滑移,发现压头的晶向引起的界面失配位错在很大程度上决定薄膜开启初始原子滑移系的难易。然后对比了压头在不同晶向下测得的薄膜纳米硬度,发现其计算值是一样的。最后研究压头表面和压痕表面的正应力和切应力的分布,分析了应力分布与原子滑移系的关系。     

纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能

PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。     

血红细胞力学性能的纳米压痕实验和有限元模拟

采用纳米压痕技术和有限元方法研究了血红细胞的生物力学性能. 进行了血红细胞的纳米压痕实验, 得到了血红细胞的材料参数和变形形貌; 在实验基础上, 建立了血红细胞的三维有限元模型, 模拟了血红细胞的压痕载荷-位移曲线, 并考虑了参数效应. 数值模拟结果和实验数据符合很好. 通过改变压头与材料之间的摩擦系数和压头曲率半径等参数, 比较了载荷-位移曲线的变化情况. 研究表明摩擦系数对压痕载荷-位移曲线和应力分布影响很小, 而压头曲率对载荷-位移曲线的影响明显.     

锗硅缓冲双轴应变硅材料ε-Si/Ge_(0.3)Si_(0.7)/Ge_xSi_(1-x)/C-Si内部残余应力的显微拉曼实验分析

应变硅技术是一种被称为延续摩尔定律的技术,是集成微电子技术的热点之一。本文以锗硅缓冲双轴应变硅材料(ε-Si/Ge_(0.3)Si_(0.7)/Ge_xSi_(1-x)/C-Si)为研究对象,采用显微拉曼光谱技术,开展了该多层半导体异质结构内部残余应力的实验力学分析。这是面向多层结构残余应力与表/界面力学行为的多尺度实验力学分析,本文首先简述了该应变硅的制造工艺和超低粗糙度横截面样品的加工方法,并推导了针对锗硅合金拉曼-力学测量修正关系,进而对应变硅样品的表面和横截面进行了显微拉曼力学测量实验,给出了多层异质结构内部的残余应力分布,并以此为基础讨论了多层界面的力学行为。     

纳米薄膜屈曲模式的实验研究

薄膜/基底系统在信息科学以及微电子机械系统中有着十分重要的地位.薄膜中常会有压或拉的残余应力,因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力以及外加应力的联合作用下.根据结构的功用不同,其载荷方式也有不同,从而也导致了不同的破坏模式.压缩载荷下的脱粘屈曲是薄膜基底结构主要的破坏形式之一.本文使用磁控溅射镀膜技术,制作了压缩薄膜...     

整体化复合材料结构残余应力实验研究

通过钻孔法测试了T型整体化复合材料结构件在不同固化工艺方案下的残余应力,并研究了多墙类加筋壁板的腹板和蒙皮的残余应力分布,以及不同钻孔深度对结构件内部残余应力测试结果的影响。研究结果表明:共固化方式下产生的残余应力要小于胶结共固化方式下的残余应力。     

热光弹性法在残余热应力场分析上的运用

本文用热光弹性法对金属构件因热疲劳裂纹扩展而引起的残余应力场进行分析,并针对具体实验采用实验中途调节参数的方法满足了相似准则,使结果具有良好的精度.     

利用钻孔法测定残余应力问题

钻孔法是测量残余应力的一个重要方法。本文就有关文献所提供的A、B值进行分析和比较。对试验中由于贴片钻孔所造成的偏差提出了修正公式。此公式使用简便,经验算,误差在10％以内。     

利用焊接残余应力及深冷预制裂纹技术的探索

本文探索了利用焊接残余应力及低温深冷技术预制裂纹的方法，并用带纵向焊缝的试板进行试验，证明了该方法的可行性。     

半导体器件残余应力测试与模拟研究

采用新型三维云纹干涉系统并结合盲孔释放的方法 ,研究了半导体装配底座内的残余应力 ,这种混合的方法不仅能真实测试试件因应力的释放而产生的三维变形信息 ,而且具有灵敏度高、条纹对比度好等特点。本文中 ,残余应力是通过盲孔释放获得 ,然后使用三维干涉系统来测试试件因残余应力的释放而发生的位移 ;利用有限元模拟的方法 ,精确计算了应力大小和分布情况 ,为实验研究提供了有力的支持和补充。结果表明 ,残余应力在F - 1C半导体内部分布不均匀 ,在两引脚之间的区域 ,应力比邻近区域的应力要大 ,存在一定的应力集中 ,对可伐管产生一定的挤压作用 ,这是造成半导体装配底座失效的一重要原因。     

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

血管残余应力的一种确定方法

动脉无载荷状态下存在残余应力,分析血管壁在载荷状态下的应力分布必须计及血管壁的残余应力。本文通过检测动脉不同轴向伸长比条件下的压力—容积(p—V)数据,根据其p—V实验曲线的“S”型特征,提出了一种用反正切函数关系对试验数据点进行拟合,进而导得动脉管壁周向残余应力沿壁厚分布的方法。文章对10只正常大鼠颈动脉的分析结果表明,大鼠颈动脉周向残余应力沿血管壁厚呈单调上升趋势。残余应力在内壁处为负呈压缩状态,在外壁处为正呈拉伸状态,并且内外壁处应力绝对值大小基本相等,大约在2．5kPa左右。文章结果对进一步分析动脉管壁在载荷作用下的应力分布提供必要的信息。     

循环载荷下冷挤压孔宏观残余应力的松弛效应

本文对应用云纹干涉法测量冷挤压孔周残余应力分布作了简要的论述，并应用该技术研究了冷挤压孔周残余应力在循环应力作用下的松弛问题，还探讨了残余应力的构件疲劳过程的相互作用，最后绘出不同循环应力次数作用后残余应力高周疲劳效应的几组实验结果。