压痕尺寸效应问题的研究.doc

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1、压痕尺寸效应问题的研究*国家自然科学基金资助项目（10402022）刘美华1，2，李鸿琦1，李林安1，佟景伟1，崔小鹏1（1天津大学机械学院，300072，天津；2天津商业大学机械学院，300134，天津）摘要：本文首次将数字散斑相关技术应用于硬度测试中，通过散斑相关计算得到被测表面压痕周围的塑性变形场，同时结合不同显微硬度设备上的测试结果及有限元模拟，系统地讨论压痕尺寸效应问题，认为压痕尺寸效应的产生与测试方法有关，与压痕的几何相似性有关，与测试过程压头尖端不规则形状有关，与压头顶部表面与被测材料之间的摩擦有关等。数字散斑相关技术计算发现，不同载荷作用下的压痕周围的形变特征表现是不同的，这与

2、现有的研究压痕周围材料变形问题不考虑载荷大小而采用一个模型是相矛盾的。数字散斑相关技术计算压痕周围的形变特征可为今后压痕法的计算和理论研究提供技术支持。关键词：压痕尺寸效应，纳米压痕硬度，有限元模拟，力学性能，数字散斑相关。AStudyontheProblemofIndentationsizeeffectLiuMei-hua1,2,LiHong-qi1,LiLin-an1,FengLu1,TongJing-wei1(1DepartmentofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2DepartmentofMech

3、anicalEngineering,TianjinCommerceUniversity,Tianjin300134,China)Abstract:Abstract:Thispaperproposesanevaluationtechniquefordisplacementfieldintheplaneofindenterbyapplyingdigitalspeckleimagecorrelationmethodtotesthardness.Byanalyzingtheresultsoftestinghardnessondifferentmicrohardnesstestinginstrument

4、andsimulatingpiling-uporsinking-inofmaterialintheirbulkformsofsteelaroundforaxisymmetricindentersofacone,wesystemicallydiscussthepossiblefactorscausingindentationsizeeffectandpresentsomenewideas.Theresultofthedigitalspeckleimagecorrelationmethodtotestthesurfacedisplacementatthecontactboundaryintheun

5、loadedstateisindicatedthatdisplacementpropertyiscorrelatedwiththeload.Butsimulationresultisfoundthatsinking-inpredominatesintheirbulkformsofsteel.Theconclusionprovidesthetechnicalsupporttoprobeintotheessenceoftheindentationsizeeffects.Thevalidityofexperimentresultisverifiedanalytically.Keyword:Inden

6、tationsizeeffect,Nano-indentationhardness,Mechanicsperformances,Digitalspecklecorrelation1前言长期以来，压痕尺寸效应问题一直是学术界关注的焦点之一[1-16]，相关人员从不同角度出发研究压痕尺寸效应产生的原因，并提出了一些不同观点，而就压痕尺寸效应现象是否存在的问题也有两种截然不同的观点：一种观点是肯定的，承认压痕尺寸效应现象存在的研究人员一直在进行这方面的相关工作，试图通过理论分析、有限元模拟计算及相关试验来寻找产生压痕尺寸效应的原因、影响因素以及建立能准确描述压痕尺寸效应的经验公式或半经验公式；另一种

7、观点则是否认的，认为造成这种现象的原因是试验中操作不当而产生的，或是测试设备精度的问题，或是实验人员自身原因，或是环境条件等等，这些因素造成了产生压痕尺寸效应的假象。本文选择45＃钢，通过在不同硬度测试设备上、采用不同的试验方法，全面、深入地研究压痕尺寸效应问题，据此分析压痕尺寸效应产生的规律性；结合数字散斑相关技术计算被测表面压痕周围的面内塑性位移场的变形特征，进一步分析压痕尺寸效应产生的原因，