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。     

曲线拟合方法对压入法材料力学性能测量结果的影响

阐述了指数曲线拟合方法和多项式拟合方法.分别用上述方法对52条卸载过程载荷-位移曲线进行了拟合,其中多项式的最高次数分别选为2～6种.在NANOINDENTERⅡ上对13个试样进行了压入实验,试样包括4个块体材料试样和9个膜/基材料试样,最大压入深度分为2组,即:一组为200 nm和500 nm,另一组为1 μm和2 μm.在每种压入深度下,对每个试样进行两次压入.通过上述实验,13个试样可得到52条卸载过程载荷-位移曲线的数据文件.用所述拟合方法对所有卸载曲线进行了拟合并得到相应的拟合曲线参数.用所得到的参数对试样的硬度和弹性模量进行了评定,对各种曲线拟合方法得到的载荷-位移拟合曲线与实测的载荷-位移曲线之间的关系进行了分析.分析结果表明:在上述曲线拟合方法中,5次多项式曲线拟合是最佳的拟合方法,而指数曲线拟合是最差的拟合方法,曲线拟合方法对纳米压入法材料力学性能的测量结果产生较大的影响.     

金属纤维弹性模量的振动法测量

针对测量金属纤维弹性模量传统方法存在的局限,提出了一种用振动法测量金属纤维弹性模量的新方法。详细介绍了该方法的测量原理、测量装置、测量过程及误差分析。分别选择了钼丝和铂铱25合金纤维为测量对象,将被测材料制备成微悬臂梁试样,通过瞬态激励使悬臂梁产生短暂振荡,然后获得悬臂梁固有频率,再通过计算公式求出金属纤维材料的弹性模量。与静态拉伸法测量结果进行了比对,试验证明两者测试结果较为吻合。分析了悬臂梁长对测试结果的影响,结果表明:只有当梁长大于或等于8倍梁高(直径)时,这种影响才可忽略不计。     

压入深度与膜厚对薄膜与基体复合硬度及弹性模量的影响

根据高华建的复合弹性模量模型，提出了用一个测点的载荷-位移曲线计算整个压入深度内薄膜和基体复合硬度分布的方法，探讨了压入深度与膜厚对硬度与弹性模量测量值的影响，指出可由膜-基复合性能反推膜本身的性能。     

LY12铝合金微弧氧化陶瓷膜的纳米压入研究

用纳米压入法测定了LY12铝合金微弧氧化陶瓷膜的硬度H和弹性模量E分布,并探讨了陶瓷氧化膜的生长机理。氧化膜的硬度和弹性模量分别为18GPa-32GPa,280GPa-390GPa。靠近膜／基体界面的氧化膜硬度和弹性模量仍然相当高。H和E沿膜深度的分布都存在一个极大值,并同膜内α-Al2O3含量变化是一致的。其形成原因在于微弧区熔融物在膜不同部位冷却速率差异较大。     

一种改进的纳米压入测试方法

利用过量纲理论和有限元模拟分析了Oliver-Pharr方法识别材料折合弹性模量的精度。结果表明:理论测试误差明显依赖于卸载后的残余深度与最大压入深度的比值(hf/hm)和材料的应变硬化指数n。当hf/hm>0.7、n=0时,Oliver-Pharr方法计算的折合弹性模量最大测试误差将近32%,其原因是由于估算得到的接触深度明显低于真实的接触深度。在此基础上,提出一种改进的计算方法,对接触深度的估算进行修正,应用改进方法确定材料折合弹性模量时,最大误差可控制在±15%以内。两种铝合金材料的压入试验也证明了此结论。     

Ti-Mo-Zr-Fe合金的微观结构与纳米压入特性的关系

通过不同的热处理制度控制TMZF合金中的相组成和含量，利用XRD分析确定各种相结构。利用纳米压入测量仪测试了不同组织结构下的硬度和弹性模量。结果表明，当合金中存在ω相时，合金的的硬度和弹性模量最高，随着热处理温度的提高，合金中的ω相消失，代之而来的是α相，而且越接近β转变温度，α相含量越少，对应的弹性模量和硬度越来越低。对于Ti—Mo—Zr-Fe合金来说压入性能（硬度、弹性模量）与相成分之间存在着良好的匹配关系。     

利用纳米压痕加载曲线计算硬度-压入深度关系及弹性模量

通过对纳米压痕法基本原理的分析与实验研究,证明了一般材料的接触刚度-位移（压入深度）为线性关系．该关系可从两个不同压入深度的压痕实验得到,利用该关系可从任意一条加载曲线计算出材料的硬度-位移关系及弹性模量值．实验结果表明这个计算结果是可靠的．     

纳米压入法微机械材料力学性能测量不确定度的影响因素分类及评价

在介绍纳米压入法微机械力学性能测量原理的基础上,提出了纳米压入法微机械材料力学性能测量不确定度的I,II类影响因素的观点,并将I类影响因素分为直接和间接影响因素,将II类影响因素分为主要影响因素和次要影响因素。在阐述由这些因素产生的测量不确定度的评价方法基础上,对单晶硅(111)体材的硬度和弹性模量进行了测量与评定,其硬度和弹性模量的评定结果分别为13.57GPa±0.85GPa和156.33GPa±7.85GPa。     

单晶金刚石微观性能的纳米压入测量研究

研究单晶金刚石的微观机械性能,可为金刚石工具的研磨和使用性能评价提供技术依据。提出以纳米压入技术研究单晶金刚石微观尺度机械性能,分析了纳米压入技术的主要原理及其技术特点,进行了纳米压入测量实验并分析了各种因素的影响。研究表明:采用10mN的ADO载荷和小于10mN的最大压入载荷对单晶金刚石{100}晶面进行纳米压入测量,可显著减小甚至避免金刚石压头的变形和损伤,获得有效的压入曲线及数据;但在多次测量后会出现金刚石压头的累积钝化。基于测量过程和结果的分析,提出了提高测量有效性的方法。     

纳米硬度计测定电刷镀纳米颗粒复合镀层的弹性模量

采用电刷镀技术在钢基体表面制备了n-Al2O3／Ni纳米颗粒复合镀层，借助纳米硬度计的纳米压痕法测定了复合镀层的弹性模量及其分布。测试结果表明：n—Al2O3／Ni纳米颗粒复合刷镀层的杨氏模量约为200GPa；复合刷镀层中存在的气孔、裂纹等缺陷处具有较低的弹性模量，除这些缺陷微区外，复合刷镀层具有均一的弹性模量等力学性能。指出优化和严格控制复合刷镀层制备工艺、减少或消除镀层缺陷，是纳米颗粒复合刷镀层具有均匀性能、提高宏观力学性能的有效途径。     

利用硬度计进行弹性模量测试的研究

弹性模量是材料性能的一项重要参数。采用Oliver-Pharr方法计算弹性模量容易受接触深度及初始卸载斜率的影响,尤其是材料呈现堆积状态时。采用量纲分析及有限元仿真,建立材料的弹性模量与压痕参数的解析表达式。数值反演和试验结果表明:提出的方法能获得较高精度的弹性模量,实现了弹性模量的高效测量,降低了试验成本。     

金属丝弹性模量的测量方法研究

通过用纳米压入法和静态拉伸法对β-Ti丝、不锈钢丝以及3种NiTi丝进行弹性模量的测量。实验表明，纳米压入法弹性模量比静态拉伸法弹性模量大，并且材料的弹性模量越低，二者相差越大，其原因同试样的表面硬化层和尺寸效应有关。通过分析比较，建立了金属丝弹性模量的纳米压入法和静态拉伸法所得值之间的相关关系。     

特种模型材料弹性模量的测量

层状复合方法适用于测定高阻尼材料的弹性模量。特种模型材料由环氧树脂、增韧剂、固化剂和金属粉构成。用层状复合方法测定了特种模型材料的弹性模量，得到的数据分散性小。特种模型材料的弹性模量随着金属粉的增加而增加。     

梁三点弯曲法测量薄膜弹性模量

用电刷技术在不锈钢基体一侧表面上刷镀了Cu膜，用电镀技术在不锈钢基体一侧表面或双侧表面上制备Ni膜。用梁三点弯曲法在自制的设备上测量不锈钢基体以及不锈钢基体上不同厚度Cu膜和Ni膜的弹性模量E。研究表明：在测量的膜厚范围内(7μm-15μm)，Cu膜和Ni膜的弹性模量E不随膜厚变化，并且接近各自块材的弹性模量。     

用纳米压痕仪测量Cu50Zr43Ti7非晶合金的硬度和弹性模量

用Berkovich和Cube-Corner压头分别测量了Cu50Zr43Ti7非晶合金的硬度(H)和弹性模量(E).结果发现,该合金的H和E与压头形状及测量所用载荷无关,H=(6.5±0.2)GPa,E=(114.4±2.1)GPa;相对于Berkovich压头,用Cube-Corner压头得到的压痕周围观察到较多的剪切带.该合金没有硬度的尺寸效应,变形也没有明显的加工硬化.用有限元(FE)计算得到该合金的屈服强度(σ)约为1.8 GPa,与压缩试验结果相符.     

用CCD图像传感器测量杨氏弹性模量的研究

对传统的镜尺法测量杨氏弹性模量进行了改进,用高灵敏度电荷耦合器件(CCD)图像传感器取代传统的依靠人眼从望远镜读数获取激光位移数据,实现了过程自动化,消除了测量过程中人为因素的影响。试验测得杨氏弹性模量的相对误差仅为0.88%,大大提高了测量精度。     

热处理对Tb—Dy—Fe合金声速和弹性模量的影响

本文研究了＜１１２＞轴向取向Ｔｂ０３１Ｄｙ０６９（Ｆｅ１９５Ｍ００５）１９５（Ｍ＝Ｍｎ,Ａｌ等）合金的声速和弹性模量与外加磁场的关系。随着磁场强度的增加,弹性模量和声速逐渐降低,在１０ｋＡ／ｍ时达到最小,随后逐渐增加。在９５０～１０８０℃热处理３ｈ,在相同磁场下材料的声速和弹性模量达到最低值。     

铸造湿型砂弹性模量测量及粘弹性的研究

弹性模量是一个与型砂性能密切相关的重要物理参数。基于流变学和型砂微变形理论,用所研制的智能化型砂多项性能测试仪对型砂的弹性模量进行了测量研究。评述了型砂弹性模量的测试方法。试验研究了膨润土含量和紧实率对型砂弹性模量值的影响。并对湿型砂的粘弹性本质进行了分析,认为型砂的粘弹性变形主要是粘土膜开尔文体的弹性变形,型砂弹性模量取决于砂粒间粘土膜开尔文体弹性元件的弹性模量,可以将弹性模量作为型砂性能检测参数之一,用于评定型砂的粘弹性性能。