基于Vickers压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入识别方法

针对Vickers压痕提出了一个独立的仪器化压入响应参数-Vickers压痕中边距与名义中边距之比d/dn,用于衡量Vickers压痕鼓凸/沉陷程度。基于量纲分析和有限元数值仿真,建立了Vickers压痕中边距与名义中边距之比d/dn、仪器化压入名义硬度Hn、仪器化压入比功We/Wt与金属材料弹塑性参数之间的无量纲函数关系式,以此为基础,建立了基于Vickers压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入识别方法。该方法仅利用单一Vickers压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及Vickers压痕,即可确定金属材料的弹性模量E、应变硬化指数n、条件屈服强度σ0.2和强度极限σb。并且,通过实验验证了该方法的有效性。     

金属材料弹塑性参数仪器化聚集式Vickers压入识别方法

选用单一Vickers压头对被测材料实施压痕具有特殊位置关系的三次仪器化压入实验,根据第三次载荷-位移曲线和初次载荷-位移曲线提出一个独立的仪器化压入响应参数-第三次和初次仪器化压入比功之比[(W_e/W_t)_3/(W_e/W_t)_1]。基于量纲分析和有限元仿真,建立初次仪器化压入比功(W_e/W_t)_1、第三次和初次仪器化压入比功之比[(W_e/W_t)_3/(W_e/W_t)_1]、初次仪器化压入名义硬度H_0与材料弹塑性参数之间的无量纲函数关系,并以此为基础建立了金属材料弹塑性参数仪器化聚集式Vickers压入识别方法。该方法仅利用单一Vickers压头便可识别被测材料的应变硬化指数n、弹性模量E、条件屈服强度σ_(0.2)和强度极限σ_b,并且通过实验验证了此方法的有效性。     

金属材料塑性参数仪器化压入识别方法

采用有限元数值仿真结合仪器化压入实验的方法,选择Vickers压头和面角为172°的四棱锥压头用于金属材料塑性参数的仪器化识别,通过量纲分析和有限元数值仿真建立基于压入比功We/Wt的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法和基于名义硬度Hn的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法。根据识别方法的精度分析结果,确定条件屈服强度σ0.2和应变硬化指数n作为金属材料塑性参数识别的目标参数。6061铝合金、S45C碳钢、SS316不锈钢、SS304不锈钢和黄铜5种金属材料条件屈服强度σ0.2的识别误差为-17.5%~4%,基本满足工程需要,验证本研究中建立的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法的有效性。     

基于压入比功的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法

通过量纲分析和有限元数值仿真,建立对应Vickers压头和面角为172°的四棱锥压头的特征应力和特征应变与压入比功的函数关系式,并建立了基于压入比功的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法。根据识别方法的精度分析结果,确定条件屈服强度σ0.5和应变硬化指数n为金属材料塑性参数识别的目标参数。6061铝合金、S45C碳钢、SS316不锈钢、SS304不锈钢和黄铜5种金属材料条件屈服强度σ0.2的识别误差均为-14.4%~4.0%,应变硬化指数n的识别误差均为-0.009~0.063,满足工程需要;验证了所建立的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法的有效性。     

基于仪器化Vickers压入比功与马氏硬度识别材料维氏硬度的方法

针对传统维氏硬度测试中因Vickers压痕形貌不清晰导致的维氏硬度无法识别问题,应用量纲定理和有限元数值分析方法对仪器化Vickers压入响应进行了系统分析,同时,结合维氏硬度有限元数值计算结果,揭示仪器化Vickers压入比功、马氏硬度与维氏硬度的近似函数关系。基于上述关系,提出由Vickers压入比功We/Wt和马氏硬度HM识别材料维氏硬度HV的新方法,对该方法进行测试精度分析,验证结果表明该方法较ISO14577中所提维氏硬度仪器化Vickers压入方法具有更高的测试精度。     

金属材料显微硬度压痕尺寸效应分析及其试验研究

利用显微硬度计和扫描电镜分别对电工纯铁DT4A、镍铍高弹合金97NiBe、化学镀镍层3种金属材料样品进行显微维氏硬度测试实验。绘制试验载荷与压痕对角线尺寸关系曲线,分析各曲线的拟合公式,建立模型。应用材料力学理论对模型进行深入分析,确定各参量的物理含义。根据各物理参量的含义,对微纳米尺度下出现硬度压痕尺寸效应现象的原因进行解释。结果表明,金属材料的显微维氏硬度表现出了显著的硬度压痕尺寸效应,用修正后的模型P0=a_1d+a_2d~2和HV_(micro)=0.189 1×(a_1/d+a_2)可以描述和解释硬度压痕尺寸效应现象。未修正模型中,a_0参数的物理含义是为了能准确反映设备试验力误差的物理量;a_1参数的物理含义是与样品的弹性模量、接触刚度、显微硬度和宏观硬度有关的物理量;a_2参数的物理含义是试验加载过程中压头压入试样表面产生塑性变形需要的压应力,其值近似等于5.288倍的宏观维氏硬度。金属材料显微维氏硬度压痕表面的接触刚度变化是其在微纳米尺度下存在压痕尺寸效应的主要原因。推导出的显微维氏硬度压痕表面的接触刚度计算模型为S=7Ed-7a1。     

仪器化压痕试验法测定金属材料的硬度与材料参数

仪器化压痕法是一种新兴的试验方法，不仅可以测量金属材料的硬度，还可以测定金属材料的其他参数。针对该方法的基本原理、特点以及硬度和其他材料参数的测定进行了介绍。     

基于仪器化压入技术表征金属材料塑性参数的实验对比分析(英文)

本实验选择4种典型的金属材料,分别进行了仪器化压入试验和单轴拉伸试验。通过文献调研,选择5种具有代表性且操作简便的表征方法对压入试验结果进行处理,得到材料的塑性参数。将该参数与单试验结果进行比对,检查上述5种方法的准确性及可靠性。     

材料弹性模量的仪器化压入测试方法

应用量纲定理和有限元方法对仪器化压入响应进行分析,同时引入联合弹性模量(Ec)来精确表示压头与被压材料的综合弹性效应。结果表明:名义硬度Hn和联合弹性模量Ec的比值与卸载功We和压入总功Wt的比值间存在近似的函数关系。基于上述关系,提出由名义硬度和压入比功确定材料弹性模量的新方法,同时分析该方法的理论误差,验证结果表明该方法较传统Oliver-Pharr方法具有更高的测试精度。     

基于纳米压入技术表征金属材料塑性参数

基于球形压入的工作方式,重点研究金属材料塑性参数的表征方法。首先,选取压入总功和Meyer系数作为主要分析参数。其次,利用孔洞模型、相似解和数值模拟等工具,分别建立压入总功和Meyer系数与材料塑性参数之间的半解析关系式。由此,提出一种金属材料塑性参数表征方法,该方法可以避免对接触半径的测量,并能通过一次加载试验同时识别屈服强度和硬化指数,确保了方法的可操作性和便捷性。最后,选用4种常用金属材料进行压入和拉伸试验,通过将该方法的预测结果与拉伸试验结果比对可知,该方法能较准确地识别材料的塑性力学参数。     

基于纳米压痕技术研究2024-T4铝合金力学性能

采用纳米压痕连续刚度技术(CSM)对铝合金在不同压痕深度以及不同压头半径下的力学响应进行分析。通过不同分析方法将载荷-压痕深度关系转换为压痕应力-应变(σ-ε)关系，并与宏观性能对比得到最优方法。结果表明，半径为250μm的压头在最大压痕深度为550 nm时测得的平均弹性模量为66.4 GPa,其值与宏观拉伸弹性模量相差2.3%;采用限制因子1.6作为应力转换系数，通过几何接触半径与Tabor方法相结合可得到准确的塑形性能，名义屈服应力为290 MPa,与宏观拉伸屈服应力误差约为1.4%。     

纳米压入结合有限元模拟确定金属材料的塑性性能

材料具有相同的弹性模量 E以及代表性应力与代表性应变(σr,εr)时,可以获得相同的纳米压痕加载曲线,而与材料的应变强化指数 n无关。基于此,利用纳米压入结合有限元数值模拟建立一种确定金属材料塑性性能参数的改进方法。首先,不考虑金属材料的加工硬化,通过不断调整代表性应力的假设值,当模拟与实验载荷?位移曲线的加载阶段相吻合时,确定其代表性应力。其次,对金属材料假设不同的应变强化指数,采用相同的方法确定其代表性应变。最后,通过调整应变强化指数的假设值,使模拟曲线与实验曲线的卸载阶段相吻合来确定金属材料的真实应变强化指数,继而利用幂强化本构方程确定金属材料的初始屈服极限。将该方法应用于AISI 304不锈钢、铁及铝合金三种金属,其有效性得到验证。     

7050-T7451铝合金铣削加工表面材料特性与本构关系模型的建立

为研究7050-T7451铝合金材料铣削后表面应力应变特征,并建立表面材料本构关系模型,采用SSM-B4000TM型应力应变显微探针测试系统对铝合金7050-T7451材料表面进行自动球压痕(ABI)实验测试,获得载荷-深度曲线,据此估算本构关系模型中应变硬化指数(n)与屈服强度(σy)等未知参数。进而基于有限元建模(FEM)进行压痕过程的有限元仿真分析,研究本构关系模型中参数n与σy的变化对载荷-深度曲线的影响规律,获得仿真载荷-深度曲线与实验曲线误差最小时的参数n与σy应满足的函数关系,验证了基于实验本构关系模型参数的准确性。采用该材料本构关系模型仿真的载荷-深度曲线与实验曲线相比,平均误差为5.2%。     

压痕应变法应力计算常数的数值模拟

压痕应变法是不依赖于材料的物性参数而最接近无损的一种应力测试方法，目前其应用的最大问题是应力计算常数的获得. 文中通过对动态压入材料的特性分析，以无应力下的应变增量试验数据为依据，基于传统拉伸曲线，针对不同材料动态确定合理的压入载荷，建立了适用于大多数金属材料的标定模型.结果表明，该模型所获得的标定曲线稳定可靠，规律性和准确度均优于传统的试验标定结果，基本可以代替传统的标定试验.     

面心立方金属材料压入初期突变现象的位错机制

接触应力是引发金属构件形变与失效的重要来源之一。为了理解材料的力学行为与失效机制,研究者对接触条件下位错的产生与运动开展了大量研究。然而由于实验技术的限制,对接触初期塑性变形机理的认识仍较为薄弱。近年来得益于原位表征和高测试精度的优点,仪器化纳米压入技术被陆续地应用于研究材料接触初期变形行为,尤其针对面心立方结构(FCC)的金属材料,结合模拟分析与微观表征,大大促进了对相关位错行为的理解。因此,在简要介绍仪器化纳米压入技术的特点、模型及应用的基础之上,首先,介绍了纳米压入接触初期载荷-位移曲线的突变现象,讨论了其与位错行为的关系;其次,重点以面心立方金属材料为对象,从位错萌生和位错运动与反应两个方面分别介绍了二者与突变现象的关系,并结合文献报道,详细讨论了压入过程位错萌生的影响因素,以及位错运动与反应机制;最后,进行了总结和展望,提出借助多种先进实验和模拟方法的交叉使用,将有助于揭示接触条件下的位错行为,从而为仪器化纳米压入技术的发展和理解接触条件下金属材料的变形与失效提供理论基础。     

SiCp/Al复合材料磨削加工去除机理的有限元分析

本文建立了SiCp/Al复合材料的二维实体模型,基于压痕断裂力学的方法,研究了压痕深度的变化对SiCp/Al复合材料磨削加工去除机理的影响。结果表明:随着压痕深度的增加,压头下方SiC颗粒的第一主应力逐渐变大,Al基体的von Mises等效应力也逐渐变大。当压痕深度大于等于0.15μm时,压头下方会形成塑形变形区;压痕深度大于等于0.292μm时,SiC颗粒会由于拉应力的作用而产生径向裂纹;当压痕深度超过0.34μm时,Al基体由于局部被压溃而影响SiCp/Al复合材料延性去除机理。     

基于原子力显微镜的薄膜原位压痕力学性能研究

基于原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)建立了一套原位纳米压痕测试系统。该系统可以实现控制带有金刚石(Cube corner)压头的AFM微悬臂梁对样品进行压入实验,并得到载荷-位移曲线,同时可以对压痕过程进行原位SEM实时观察。发展了一种基于AFM微悬臂梁加载和原位SEM压痕图像分析的力学性能测试方法,通过测量压入最大载荷和原位SEM测量压痕残余面积得到塑性薄膜的硬度和弹性模量。利用此方法对磁控溅射硅衬底上纳米晶银薄膜进行了压痕实验,并与Nanoindenter G200型纳米压痕仪实验进行对比研究。结果表明,原位AFM压痕方法具有高的载荷和位移分辨率,可以实现纳牛至微牛级的压痕实验,通过测量压痕面积得到塑性薄膜的硬度值,减小了使用Oliver-pharr方法中软膜硬基底上凸起(Pile-up)效应的影响,计算结果也具有好的测试精度和可靠性。     

利用纳米压入加载曲线确定金属薄膜的屈服强度和硬化指数 Ⅰ.数值模拟

针对纳米压入仪上普遍使用Berkovich三棱锥压头,本文分别考虑理想与纯化两种压头尖端几何情况,并使用三维弹塑性大应变有限元分析软件ABAQUS,对沉积在陶瓷基体上金属薄膜的纳米压入加载过程进行模拟计算,建立了膜、基材料基本力学性能参量及压头相对钝化量同纳米区入加载曲线间的函数关系,进而提出了利用纳米压入仪测得的连续压入加载曲线确定陶瓷基体上金属薄膜屈服强度和硬化指数的一般方法     

科技信息

<正>上海尚材试验机有限公司2019年8月8日至9日,参加了全国试验机标准化技术委员会在长春市召开的2019年标准起草工作组会议,主要对《金属材料洛氏硬度试验第2部分:硬度计及压头的检验与校准》、《金属材料布氏硬度试验第2部分:硬度计的检验与校准》、《金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验第2部分:试验机的检验和校准》等国家标准进行了讨论与修订。     

激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析

目的 获取TC4钛合金激光冲击强化层的弹塑性本构模型参数，结合纳米压痕试验和有限元模拟技术，进行激光冲击强化TC4钛合金的材料参数反演计算。方法 首先，在TC4钛合金试样侧面沿强化层深度方向进行纳米压痕测试，获得距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线。进而，基于幂律应变硬化模型，通过无量纲方程和有限元模拟反演得到激光冲击强化TC4钛合金梯度强化层的弹塑性参数。最后，将反演获得的弹塑性本构模型材料参数用于有限元模拟，将模拟结果与试验结果进行对比，验证参数反演结果的合理性。结果 强化层表面的弹性模量和纳米硬度较母材分别提高了11%和30%，强化层内的应变硬化指数和屈服强度沿深度方向分别递增和递减。模拟的载荷-压入深度曲线与试验曲线吻合较好，最大压入载荷、弹性模量和纳米硬度的模拟误差分别小于1%、7%和3%，证实了参数反演结果的合理性。结论 通过无量纲方程反演算法得到的强化层本构参数有较强的可信度。激光冲击强化可有效提升TC4钛合金的表面力学性能，强化层的本构参数呈梯度分布，表面的抗塑性变形能力大幅提升。