基于纳米压痕技术和有限元仿真的材料塑性性能分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文基于纳米压痕技术和有限元仿真的材料塑性性能分析姓名：刘扬申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：陈定方;高清港2003.4.1武汉理工大学硕士学位论文摘要隧蓿纳米零}技的蓬赣发展，纳米缀材瓣在电予倍怠、生物工程、医学、医药、航空航天、国防等高新尖端领域锝到了砖-j翥化的应用。因此人们越来越多的关注材料在纲米尺度下的特性。通过压头对材料表面加藏，然后测出压痕区域，以此来评价材料投械性§E这项技术，我们称之为压痰技术。由于趣薄层(一些涂层及复会燃料界疆层等)的厚度达到亚微米级甚至纳米级，传统的压痕方法已

2、经不适用。—种崭新的材料锲《试技术一继寒基痰技本应运露生。续拳疆痰方法惹透过诗篓援控蔫I载棼逡续交化，并在线监测压深量，由于施加的是超低载荷，加上监测传感器具有优于1nm的像移j}辨率，新戬，哥戳获褥夺銎

3、续洙缀(雒■眺m)懿压深，窘特剩逶爰予镶l耋簿膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料的机械性能。通过纳米疆痍试验所得压力垤深曲线和经验公式胃蔽舞褥材料的杨氏模量和硬度。但是微小体积材料的辍性性能也十分关键。纳米压痕技术是建立在压痕问题的弹性解之上，所以当前的技术只髓灏0量出有限的材#}弹性性能。由于本构关系是j#线性憋，势思

4、要包含—楚攒逃塑性饯￡§的参数(搬屈服l黢等X雀数学模型中转撰塑J眭性能是十分复杂的问题，直接获得解析解比较困难。因此，大多数对材料塑性性能的分攒是逶过毒袋嚣数傻傍囊来完成。本文提出了一种基于有限元模拟纳米压痕过程的分析材料塑性性能的方法。有限元方法胃戬建立结季冬模墅，输入材料往覆移透赛条律，求解爨结稳鹣应力，痤交滟分布。纳米压痕过程是个准静态过程，压头缓隧匪入被测材料。有限元分析中压头也是逐渐压入被澳

5、材科，整个减过程有若干步骤完成，卸载过程也是如此。本研究中，ANSYS和ABAQUS分另U被用弦对圆柱和圆锥压头的仿真研究。把绒

6、米压痰过程模拟为轴对称问邀，并把压头假设为冈《体以简化计算。通过指定压头的位移C隘移p，计算燃不露压涤时的压头上的作用力。有5鼬i模攫中被澳《毒孝誊萼的扬氏=漠囊虫纳米压痰试验测出，耀性性质假设为多线性等向强化模型。在有限元分析中，通过改变输入给有限元诗冀魏应力癌交荧系麴线，计算屠霹数褥爨不阉熬爨力-竖i深夔线，然嚣以试验掰得的压力-压深曲线为标猴不断修正应力艘关系曲线，这种修正过程反复进行，直至分析掰褥嚣办嚣深益线与实际试验

7、l籍线{琵好逮渤合，虢撂戮了奉孝瓣蠡每塑往往熊。经检验，该方法分析的结果与材料的真实塑性性能十分接近。因

8、此，这种分析材料塑性性能的方法怒可行的。本文所采用的优他方法为手工调节优化方法，比较耗时，顽履难于得到最优的材料性能。有限元软件具有事富的优化设计功能，展撰未来，对本课题提出的问题可以通过软件实现自动优化，以得到材料的塑性。l童能。无疑这壤为微小体积材jl}i}蛇广泛应雕奠定坚实的基础。关键字：缡涨压痰按零，塑性蛙黪，蠢爨元分罄荦，蓬头，压力一莲深藏线武汉理工大学硕士学位论文ABSⅡtACTWiththeboomingofNanotechnology，theapplicationsofnano-scalematerialsarer

9、nainlyintheindustryofElectronicb疵磺血lg，BiologicEngineemg．MedicineScienceandAerospace．Therefore,peoplepaymoleandmoreattentionstothenano-scalematerials．However,thetraditionalmethodofte她materialsisnotapplicabletothesematerials．Anovelmethod--nanoindentalionwasproposed,whic

10、hisanewtechnologytomeasurematerialproperties．111edisplacementoftheindenterml～lOOnm)isrno商toredandrecordedduringtheexperiment．Therefore,arelationshipbetweenloadanddisp㈣isobtainedaftertheexperiment,whichcanbeusedtoanalyzetheelasticpropeaiesofthematerial．n坨methodisextrem

11、elysuitabletomeastⅡethepropertiesofthinfilms，∞缸马materialsillM卧幅andothcfmaterialsof删volume．Becausethetheoryofnanoindentafionl