超低碳钢的纳米压痕实验研究及有限元模拟

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目前,微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS)越来越受到人们的重视。由于尺度在100微米量级以下的样品会给常规的拉伸和压缩试验带来一系列的困难,传统的压痕方法已经不适用。纳米压痕技术,由于施加的是超低载荷,在材料表面局部体积内只产生很小的压痕,加上监测传感器具有小于1纳米的位移分辨率,正逐渐成为微纳米尺度力学性能测量的主要工作方式。然而,当前对纳米压痕机理的系统研究十分缺乏,所以开展微纳米尺度下材料变形行为的研究十分必要。  通过纳米压痕实验所得载荷-位移曲线和经验公式可以计算得到材料的弹性模量和纳米硬度,但是微小体积材料的塑性性能却难以计算。纳米压痕技术是建立在压痕问题的弹性解之上,所以当前的技术只能够测量出有限的材料弹性性能。由于塑性本构关系是非线性的,并且包含一些未知的描述塑性性能的参数。因此,分析塑性性能变得十分复杂,直接获得塑性变形的解析解更是难以实现。大多数对材料塑性性能分析是通过有限元数值模拟实验完成的。本文是建立在纳米压痕实验的基础上,结合有限元模拟来分析和测量材料的微纳米力学性能。  本论文以IF钢为实验原料进行纳米压痕实验,获得了一系列的载荷-位移曲线,从而求出其纳米硬度、弹性模量和接触刚度等微力学性能。通过改变压痕过程中载荷大小和加载速率,发现随着载荷的增大纳米硬度和弹性模量都有减小的趋势,当压痕深度或载荷达到某临界值时硬度和模量的变化不再明显。而加载速率对整个压痕过程的结果影响则不大。  在工艺和实验参数相同的条件下对ELC钢进行纳米压痕实验,和IF钢的实验形成对比。发现类似的结论。  利用有限元模拟技术对IF钢的塑性性能进行拟合,结果表明用这种方法研究材料在微纳米尺度的塑性性能是可行的。通过改变压头的几何形状研究了其对计算结果的影响,结果发现,采用锥形压头和球形压头得到的实验结果具有一定的相似性,而圆柱压头的结果相差较大,其主要原因是不同几何形状压头下的应力影响区不同。
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