脆性材料的纳米压痕实验研究及有限元仿真.pdf

《脆性材料的纳米压痕实验研究及有限元仿真.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、第30卷第2期Vol.30No.22014年2月BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGYFeb.2014脆性材料的纳米压痕实验研究及有限元仿真121陈晓明，张亚冬，刘馨璐(1.江苏海事职业技术学院，南京211100；2.南京信息工程大学滨江学院，南京210044)摘要：阐述纳米压痕技术的定义和基本原理，分析了其与普通压痕实验的区别,利用先进的纳米压痕仪对脆性材料进行了球形纳米压痕实验；同时采用有限元软件Marc建立球形压痕实验三维模型，进行压痕仿真研究，实验结果与仿真基本一致。关键词：纳米压痕实验；脆性

2、材料；有限元；仿真+中图分类号：TP274.5文献标识码：A文章编号：1001-7119（2014）2-0065-03TheNanoIndentationExperimentofBrittleMaterialandItsFiniteElementSimulation121ChenXiaoming，ZhangYadong，LiuXinlu（1.JiangsuMaritimeInstitute，Nanjing211100，China；2.NanjingUniversityofInformationScience&Technol

3、ogy，Nanjing211100，China）Abstract：Thispaperexpoundedthedefinitionofnanoindentationtechniqueandbasicprinciple,analyseddistinctionbe原tweenitsandordinaryindentationexperiment.Thenusedadvancednanoindentationinstrumentforsphericalnanoinden原tationexperimentonbrittlemater

4、ials;atthesametime,establishingthefiniteelementmodelforsphericalnanoindenta原tionexperiment,andperformedindentationsimulation,experimentandsimulationresultswerebasicallythesame.Keywords:nanoindentationexperiment；brittlematerial；finiteelement；simulation国内外许多学者对硅、锗、玻

5、璃和陶瓷等脆性材料恢复，而塑性变形是不可恢复的变形，使得表面形成压超精密切削进行研究分析发现，要想使加工表面质量痕。提高的关键就是在其塑性域进行切削加工。这需要对纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式[1,2]脆性材料微观力学性能进行研究，这就使得许多传H=Pmax/A(1)2统的力学性能测试方法和测试仪器已经不再适用，随式中，H为硬度(GPa)；A为压痕面积的投影nm。着纳米压痕技术的兴起，因其可以在微观范围内测试由公式可知：要得到准确的硬度，接触面积的准确脆性材料的力学性能，这样就可以反映出脆性材料的程度是关键。在纳米压痕

6、与传统压痕实验中，接触面积[3-5]弹塑性力学性能。本文就在有限元仿真作一些尝试。值的获得方法的不同，直接决定了硬度值的区别。纳米压痕是采用经验公式进行计算，而传统方法则是在实1纳米压痕的原理验获得的压痕照片上进行量取。如果纳米压痕也采用传统方法，由于纳米试验中载荷和压深很小，容易产生1.1压痕实验过程很大的误差图1为纳米压痕试验中载荷—位移曲线，可以看1.2球形压痕实验出：试样表面在压载力的作用下发生变形：弹性变本文采用球形压头进行实验，它的压头为球形，没形———塑性变形———产生压痕；卸载过程中弹性变形尖端，与材料表面

7、接触的面积小而光滑，初始应力比较收稿日期：2013-12-06基金项目：院级课题（2012A3-24）。作者简介：陈晓明（1982-），南京人，讲师，硕士，研究方向：机械制造及其自动化。66科技通报第30卷其中c2=1（2n+1/2n）2n-2(5)2式中n为应变硬化指数。而式(2)中的追渊p冤也是应变硬化指数n的函数追渊p冤=6n渊40冤1/n(6)2n+19仔由式(2)~式(6)可知，只要得到应变硬化指数n，就可以将应力-应变曲线与载荷-深度曲线联系起来，从而能够将其算出。2实验研究使用设备为美国Hysitron公司所

8、生产TriboIndenterPmax-最大载荷，hmax-最大位移，hf-卸载后位移，原位纳米力学测试系统，是目前国际上实现纳米力学S-卸载曲线初期的斜率测试最有效的设备，是教学和深入开展微纳米材料和图1纳米压痕试验的典型载荷—位移曲线Fig.1Thetypicalload-displacementc