微尺度压痕实验的数值模拟及相关问题研究

<span style="color: #000000; font-family: 'Trebuchet MS','Lucida Sans Unicode',Arial,sans-serif; font-size: 12px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 22px; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; background-color: #ffffff; display: inline ! important; float: none">目前国际上占主导地位的纳米压痕技术是由Oliver与Pharr提出并发展,目前的纳米压痕可以给出整个加、卸载过程的载荷—位移曲线以及硬度与弹性模量随压痕深度变化的曲线,从而提供了丰富的、比较精确的信息,为利用它探索材料比较完整的力学特性提供了可能.为达到该目的,就必须对压痕实验的加、卸过程进行较为深入的研究.作为主要的研究工具,有限元方法模拟微压痕过程在探讨通过实验数据得到更多、更准确的材料表层力学性能参数以及解释实验现象等方面发挥着重要作用.基于计算机速度与容量的原因,较早进行微压痕过程有限元模拟的BhattacharyaandNix、LaursenandSino都使用圆锥压头模拟维氏显微硬度标准正四棱锥Vicker压头与纳米压痕仪标准正三棱锥Berkovich压头,因为圆锥压头具有旋转对称性,可用二维旋转对称单元(二维实体单元)进行计算从而降低计算规模.即便如此,以当时大型计算机的水平,对规模为400~2000个四节点矩形单元的有限元模型进行一次完整的加、卸载过程也需要1~2天.到目前为止,微尺度压痕实验的数值模拟沿用二维模型.事实上,由于加工工艺的限制,微尺度压痕仪的压头如Berkovich与Vicker压头均不个旋转对称性;就微观尺度而言,实际的表层材料都是非均匀的.这些特征均不能由二维模拟体现,所以该文首先建立三维有限元模型,模拟带滑动接触的微尺度压痕加、卸载过程.在此基础上重点讨论了压头几何效应的问题,如二维模拟与三维模拟的关系、显微硬度与纳米的压痕硬度的关系、不同压头下材料的应力应变场、压痕间距与压痕边界的效应等,最后针对微尺度压痕实验中出现的压痕硬度随压痕深度减小而升高的现象,讨论了影响不同压痕深度硬度值的因素.</span>