纳米压痕法测量残余应力的研究现状

概述了纳米压痕技术测量构件残余应力方面的理论知识,回顾了纳米压痕技术的测量原理,包括硬度、接触面积、接触刚度及弹性模量的计算。将纳米压痕测试计算残余应力的模型分为两大类,并重点对以载荷-位移曲线为依据推导出的残余应力计算模型(如Suresh、Lee、Swadener等模型)的分析过程以及它们在实际应用上的优缺点进行了介绍,同时展望了纳米压痕法测量残余应力未来的发展方向。     

残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底材料体系界面分层机制的影响

硬质薄膜在工程应用中经常承受高载荷作用。在接触载荷下,薄膜/基底体系通常产生剪切分层破坏和法向分层破坏,并直接影响材料的可靠性。硬质薄膜中较大的残余应力对界面分层破坏影响不容忽视。该文基于内聚力模型,采用有限元方法模拟残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏的影响规律;给出在不同残余应力下薄膜/基底界面分层破坏时的临界压入深度以及临界载荷;获得考虑残余应力时硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏失效图,进而对薄膜材料的工程应用和采用压痕法测量界面结合性能提供指导。     

纳米压痕硬度计测方法的研究进展

针对纳米尺度下的材料硬度测量,利用纳米硬度计得到压痕的载荷-压深曲线,并用原子力显微镜得到压痕的三维形貌图.通过载荷-压深曲线和压痕形貌图,以及相应的计算方法,可以得到纳米压痕硬度.纳米压痕硬度计测方法不同,得到的材料硬度值也不同.分析现有的几种纳米压痕硬度计测方法,找出它们的优缺点,并对未来发展方向做了展望.     

C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。     

直流脉冲磁控溅射铜膜的结构与性能研究

采用直流脉冲磁控溅射法制备铜膜,利用X射线衍射法分析薄膜相结构,通过扫描电镜观察薄膜形貌,基于纳米压痕载荷-位移曲线计算薄膜的硬度、弹性模量和接触刚度,同时采用显微硬度法测量薄膜硬度,系统研究了溅射功率和偏压对铜膜结构和力学性能的影响。结果表明,通过纳米压痕载荷-位移曲线计算薄膜力学性能是可靠的。随着溅射功率的增大,铜膜生长取向几乎无变化,均呈无择优生长状态,弹性模量、接触刚度基本不变,硬度略有减小;偏压增大会使铜膜呈现明显的(111)取向生长,接触刚度、弹性模量和硬度呈下降趋势。     

基于AFM纳米硬度测量系统的实验

为了解决用AFM自身压痕软件进行纳米硬度测量时无法直接获得载荷-压深曲线和由于受到扫描陶管扫描范围的限制而进行多点压痕实验范围有限的问题,建立了三维微动工作台和原子力显微镜相结合的纳米压痕硬度测量系统.基于该系统,对单晶薄膜材料进行了单点压痕实验,得出该系统适合进行纳米硬度测量的结论;并对薄膜材料的纳米硬度和弹性模量进行了分析,讨论了尺寸效应对两者的影响.另外,进行了40×40的点阵压痕实验,得到了材料整个压痕面的三维形貌图和三维硬度图.     

两种微纳米硬度测试方法的比较

在对材料微纳米硬度测试中,可利用纳米压痕方法得到载荷-位移曲线,并用相关算法得到接触面积和硬度值;也可通过原子力显微镜测出压痕残余面积,由残余面积和最大载荷得到材料的硬度值.利用这两种方法对塑性材料单晶铝和脆性材料单晶硅做微纳米硬度测试试验,经过比较分析,这两种方法各有优势和不足,得到的材料微纳米硬度都有压痕尺寸效应,但第二种方法得到的微纳米硬度尺寸效应比第一种明显.     

平头压痕试验确定薄膜弹塑性参数的研究

本文研究用平头压痕试验确定薄膜-基体材料中薄膜材料弹塑性参数的可行性,重点研究了薄膜材料的屈服强度和硬化模量的确定方法.利用有限元(FEM)进行了模拟计算,给出了平头压痕下典型的等应力分布,以及载荷-压入深度的曲线.通过对载荷-压入深度曲线的研究,给出了通过平头压痕试验确定薄膜屈服强度和薄膜硬化模量的方法.     

一种钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕测试分析

采用纳米压痕测试技术对一种钠钙硅酸盐玻璃进行微观力学性能的测试分析.测得加载-卸载过程载荷与压入深度曲线,发现被测玻璃的最大压深、残余深度和弹性回复量随最大加载力的增加而增大,但其相对弹性回复率系数基本稳定,平均值为58.2%.通过电子显微镜观察了不同最大载荷下的压痕形貌,发现压痕区域出现了边界沉陷现象.当最大加载力为1 000 mN左右时,三棱锥工具头测试的压痕区域出现了较明显的微裂纹;采用四棱锥工具头时出现微裂纹的最大加载力要小于该值,且裂纹取向均与金刚石工具头的棱角取向一致.利用非线性有限元软件MSC.Marc对纳米压痕过程进行了仿真分析,得到载荷与压入深度的仿真曲线,该曲线与试验结果基本相符;分析了载荷作用下材料内部的应力分布.利用Oliver-Pharr模型得到不同压入深度下被测玻璃的接触刚度值,该值随压入深度的增加而增大.     

压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响,用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向的Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程,对比不同晶向的压头在薄膜的弹-塑性转变点和最大载荷时薄膜中的原子滑移带,发现压头的晶向是决定薄膜开启原子滑移系的难易的关键因素。研究了压头在不同晶向下纳米压痕过程中Ag薄膜的变形机理,发现薄膜中原子滑移大都由压头拐角处触发。用RiceThomson位错模型计算得到压头表面正应力和切应力的分布图,借助应力分布图讨论了薄膜原子滑移的开启机理。     

Effects of residual stress on toughening of brittle polycrystals

The effects of residual stress on toughening of brittle polycrystalline materials, in the absence of microcracking, were investigated by considering the mode I stress intensity factor reduction at the tip of a stationary crack under combined applied and residual stress loading. Toughness enhancement associated with a number of model singular and non-singular residual stress fields was evaluated. The singular residual stress fields were used to model grain-sized thermal expansion anisotropy due to grain-orientation differences in a polycrystal. The numerical results indicate that residual stress can significantly toughen a stationary crack against initiation. For the same average value of residual stress, toughness enhancement due to singular residual stress fields is more substantial than that due to non-singular residual stress fields. Sample toughness enhancement results are presented for a single-phase polycrystal failing by intergranular fracture.     

熔体温度对注射成型热塑性聚氨酯制件残余应力及外形精度的影响EI北大核心CSCD

采用光学双折射法研究注射成型过程中熔体温度对透明热塑性聚氨酯(TPU)弹性体平板制件残余应力的影响规律和作用机理。结果表明,TPU制件在近浇口区域的残余应力大于远浇口区域,整体残余应力随熔体温度上升而下降。通过对平行于熔体流动方向和垂直于熔体流动方向上的制件截面进行双折射测量发现,注射成型TPU制件具有明显的皮-芯结构和零应力层,且随熔体温度升高芯层厚度显著增加。残余应力分析结果表明在制件的芯层以流动残余应力为主,而皮层区域是流动残余应力和热残余应力叠加的结果。此外,制件的翘曲变形与残余应力的分布直接相关,TPU制件尺寸的改变主要是由于流动残余应力释放引起的。     

芯棒锥面结构对孔冷挤压强化残余应力场的影响

为了在紧固孔周引入均匀的残余压应力,以延长紧固孔构件的疲劳寿命、提高其抗应力腐蚀性能,利用ANSYS有限元软件,建立了轴对称弹塑性有限元模型,对直接芯棒冷挤压强化过程进行了仿真,特别是对芯棒的前锥段曲线结构形式进行了设计与分析,研究了前锥段曲线形式对残余应力场分布的影响.结果表明:孔壁表面的周向残余应力分布复杂且不均匀,比较而言,外凸型正弦曲线型芯棒所产生的残余压应力沿孔壁深度方向分布更加均匀;几种曲线形式的芯棒在上表面近孔边区域均产生了径向残余拉应力,在孔的挤入段产生了轴向残余拉应力,但外凸型正弦曲线型芯棒在上述区域所产生的残余拉应力较小,且分布区域也较小.     

淬火应力场对铝合金厚板固有频率的影响

建立7075铝合金厚板淬火残余应力场数学模型,理论与实验探讨振动时效中淬火残余应力场对板固有频率的影响。结果表明,板尺寸、密度、均匀性等物理材料特性确定时,其固有频率主要受到残余应力场的分布状态影响,且高阶固有频率受残余应力的影响比低阶固有频率大。淬火残余应力场总是增大板的固有频率,振动时效消减或均匀化残余应力的同时,也将降低各阶次固有频率。     

残余应力对陶瓷/硬质合金复合片硬度的影响

分析了残余剪应力对材料硬度的影响,导出了残余剪应力与硬度压头下最大剪应力的关系式．分析表明,残余剪应力与残余正应力不同,无论其方向如何,总是使材料硬度下降．通过实验证明,陶瓷／硬质合金热压复合片界面附近,残余剪应力使硬度下降的值大于由于残余压应力使硬度升高的值．据此分析认为,当陶瓷层热膨胀系数比硬质合金层小,而且太薄时,虽然可以在陶瓷层形成较大的残余压应力,但因残余剪应力的影响,表层的硬度不仅不会升高,反而会降低．     

基于比容测量对材料三维残余应力及其分布的测试分析

目的 判断比容差法是否可应用于材料内部残余应力分布状态的定量研究,旨在提供一种新的残余应力的测试方法。方法 通过对材料非切应变时的弹性力学进行讨论,推导体积应变,得出残余应力的计算公式。应用比容差法对一种工业纯铝的残余应力状态进行定量测量与表征,并进行钻孔法的定量验证。在此基础上,应用比容差法对纯铝镦粗变形后的三维平均残余应力的分布进行了测量研究。结果 比容差法对纯铝镦粗变形后的体积变化测量,可精确、定量表征材料的残余应力状态,与钻孔法实验结果相比,两者的误差在20%以内;镦粗变形后,残余压应力在坯料中心处取得最大值,且对称于中心沿高度方向逐渐减小,呈对称递减分布。结论 比容差法可用于材料三维残余应力分布的研究,为残余应力分布规律,提供了一种新的有效且精确的测试方法,具有实际应用的价值。     

焊接工艺参数对Q345钢平板焊接残余应力的影响

为研究焊接工艺参数对Q345钢平板焊接残余应力的影响,对采用药芯焊丝半自动焊接后的8 mm厚平板焊缝结构进行仿真模拟,在经验数值范围内设置不同的焊接工艺参数值,分析平板在横向和厚度方向的焊接残余应力分布情况。研究结果表明:横向的最大焊接残余应力分布在热影响区,且随着焊接速度的增大和焊接层间温度的降低而降低;沿厚度方向的最大焊接残余应力为115.92 MPa,位于平板中间层,随着焊接速度的增大而先减小后增大;平板焊接在横向的残余应力远大于厚度方向的应力。根据焊接残余应力的变化情况,运用二元回归分析法对横向和厚度方向的最大焊接残余应力进行函数拟合与检验,并开展多因素拟合模型的分析,得到焊接速度和焊接层间温度对焊接残余应力的综合影响规律。通过研究残余应力的变化趋势可选定焊接残余应力最小时的工艺参数范围,实现焊接工艺参数优化。     

关于残余应力的静载松弛与最佳喷丸残余应力场的研究

本文研究了喷丸残余应力场在疲劳加载初期的静载松弛现象及机理,并对最佳喷丸残余应力场进行了探讨。试验结界表明,残余应力在疲劳过程中的静载松弛是工件表层材料剧烈塑性变形的结果。残余应力的静载松弛会使晶界、相界等障碍物处形成一定数量的微裂纹,给工作表层材料带来损伤,降低疲劳裂纹的形核寿命。为了避免疲劳初期由于残余应力的静载松弛所造成的损伤,在喷丸后采用应力松弛低温回火工艺,预先降低残余应力场中的最大残余压应力值,建立最佳残余应力场。这种通过热激活的方式使残余应力发生的松弛属子非损伤性松弛,因而能够有效地提高材料在S—N曲线上的较高交变应力区的疲劳寿命。     

轨道车辆型材结构搅拌摩擦焊残余状态研究

目的 研究轨道车辆中典型的箱型和V筋结构型材搅拌摩擦焊残余状态。方法 采用顺序热力耦合方法进行了搅拌摩擦焊残余应力及变形的仿真研究。结果 给出了上下壁板焊缝区域的残余应力大小及分布规律,阐述了两种结构的横向和纵向残余变形特征。对V筋结构型材,分析了不同筋板角度对焊接残余状态的影响。结论 残余应力方面,主要表现为纵向残余应力,上下壁板两条焊缝的残余应力峰值相近,高应力分布区域宽度差别较大。残余变形方面,箱型结构呈马鞍形,V筋型材呈下凹形。V筋型材筋板夹角的变化对残余应力没有显著影响。筋板角度增大,纵向残余变形减小而横向残余变形增大。     

The effect of residual stress on adhesion-induced instability in micro-electromechanical systems

Adhesion and residual stress play a critical role in the performance and reliability of MEMS (micro-electromechanical systems). The effects of residual stress on the pull-in instability of the micromechanical structure were examined using thin plate theory and energy criterion. It is shown that the critical gap between the film and the substrate is a function of the ratio of residual stress to bending rigidity and the adhesion energy. Such instability is mitigated by the presence of in-plane tensile residual stress in the film. But, it is aggravated by the presence of compressive residual stress. In addition, the effect of compressive residual stress is much more significant than tensile residual stress.