压痕实验分析方法研究.pdf

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1、压痕实验分析方法研究曹艳平清华大学工程力学系2010年3月3日内容提要压痕实验简介弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析基于球型压头的双深度和多深度方法基于压痕实验响应的表征应变的定义压痕尺度效应黏弹性材料（聚合物和生物材料）压痕实验分析几何参数对确定正则化松弛模量的影响分析动态加载确定材料的耗散因子压痕实验简介压痕实验简介压痕实验响应：PmaxunloadingcurveIndentationloadloadingcurvehfhmaxIndentationdepth力学性能参数:例如，弹性模量、屈服极限和应变硬化指数等压痕实验简介压痕实验特点：NanoMicroandMacr

2、oGrainImpression确定构件局部或材料各种尺度下的力学性能参数http://www.mtsnano.comhttp://www.indentec.com压痕实验简介压痕实验应用范围：ThinfilmWeldingBearingballsSubstrateBoneSofttissues压痕实验简介压痕实验分析的难点和核心问题：PmaxIndenterunloadingcurveIndentationloadloadingcurvehfhmaxIndentationdepthIndentedmaterial?力学特性参数：高度非线性问题：弹性模量、屈服极限和蠕变函数等材

3、料、几何和边界非线性利用压痕实验拟确定的材料常数（限于本报告）σ=Eε(σ≤σy)n弹塑性材料：⎛E⎞nσ=σ⎜1+ε⎟σ=Kε()σ>σyy⎜f⎟σ⎝y⎠⎛t⎞M⎛−⎞E()t=E⎜1−⎜1−eτi⎟⎟∑β0i⎜⎟⎜⎟i=1⎝⎠⎝⎠线性黏弹性材料：⎛t⎞E()tM⎛−⎞E()t⎜1⎜1eτi⎟⎟==−∑β−i⎜⎟E⎜⎟0i=1⎝⎠⎝⎠EDll(ω)(ω)η==−EDss()ω()ω弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析确定硬度和弹性模量：OliverandPharr(J.Mater.Res.,1992)Pm*πSPmE=H=2γAAPS22L

4、oadingcurve:P=Ch⎛()⎛Pm⎞⎞A=π⎜⎜tanθ⎜hm−0.72⎟⎟⎟Indentationload⎝⎝S⎠⎠Unloadingcurve*EhE=m2h1−vcIndentationdepthhPmErrorupto50%!hcθhm‘piling-up’弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析ChengandChengTabor(1950s)Bishop等(1945)(1998-2006)Johnson(1970s)RepresentativestrainCavitymodelDimensionalanalysisH/σr≈3ε=0.08p2⎛⎜⎛Ecot()

5、θ⎞⎞⎟r=1+ln⎜⎟⎜⎜⎟⎟σy33σy⎛σy⎞⎝⎝⎠⎠P=Eh2Π⎜n,v,⎟θa⎜⎟⎝E,⎠Huber等(1997-2008)确定应力-应变曲线NeuralnetworksmethodSuresh研究小组Representativestrain本研究的出发点*⎛E⎞C0=σrf⎜⎟70.3⎜⎟σ⎝r⎠弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析Daoetal.(ActaMater.,2001)ChengandCheng(1998-2006)nσr⎛C⎞⎛E⎞Dimensionalanalysis=Πc⎜*,n⎟σr=σy⎜⎜1+εr⎟⎟C⎝E⎠⎝σy⎠2⎛σy⎞P=EhΠ⎜n,

6、v,θ⎟a⎜⎟⎝E,⎠Representativestrainε=0.033rσPmσrPnSσ=Kε2σLoadingcurve:P=ChyεrIndentationloadUnloadingcurveEhεmεyIndentationdepthhεf弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析双尖压头方法双深度或多深度方法Bucailleetal.(ActaMater.,2003)CaoandLu(ActaMater.,2004a)Pg,1PPθ2hθ1hhg,1σPg,2nσ=Kεσyhg,2Eεεy弹塑性材料（金属和合金）压痕实验分析n=0.0n=0.1⎛*⎞CondCondE

7、C=σΠ⎜⎟θεr1θ⎜⎟σ⎝εr⎠**EEσyσy(()θ(degree)θdegree)y=Fxn=0.5n=0.3Cond()CondΔxΔyFxCond=/='()xyxFx*EE*σyθ(degree)θ(degree)σy⎛E*⎞⎛E*⎞⎛E*⎞()3⎜⎟+()2⎜⎟+()⎜⎟+()φθlnφθlnφθlnφθ3⎜⎟2⎜⎟1⎜⎟0σσσCond=⎝εr⎠⎝εr⎠⎝εr⎠⎛E*⎞⎛E*⎞⎛E*⎞()3⎜⎟+()()−()2⎜⎟+()()−()⎜⎟()()φθlnφθ3φθlnφθ2