煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究

纳米压痕是研究金属特性最广泛的方法之一.因此,本文采用分子动力学方法研究了晶粒数、压痕半径和压痕速度对FeCrNiCoCu压痕性能的影响.结果表明,晶粒数从4增加到16,杨氏模量和硬度值逐渐减小,呈现反Hall-Petch现象;随着压头半径的增加,杨氏模量增大,硬度受接触面积的影响较大而减小,较大的压头半径有利于模型内部位错的产生和扩展;压入速度对杨氏模量和硬度的影响微弱,压入速度越快,位错密度越低,位错传播速度越慢.本工作以期为FeCrNiCoCu的研究提供理论指导.

海洋环境中锈蚀产物纳米压痕与固结试验力学性能

明确实际海洋环境中钢筋锈蚀产物的力学特性对建立混凝土结构锈胀开裂模型具有重要意义。依托海洋基础设施长期性能野外观测研究基地,对实际海洋环境中暴露15 a钢板、预埋钢筋混凝土试块及温州某码头锈胀开裂横梁混凝土构件的锈蚀产物开展了取样及分析工作,通过纳米压痕与固结试验表征了锈蚀产物的纳米压痕弹性模量、硬度及瞬时弹性模量,并进行了微观结构与组成分析。结果表明:钢板锈蚀产物弹性模量低于混凝土中钢筋锈蚀产物,钢筋锈蚀产物弹性模量集中分布于70~110 GPa,硬度为0.002~0.013 GPa;基于Hertz弹性接触理论计算得到的钢筋锈蚀产物瞬时弹性模量集中分布于100~150 GPa;混凝土中钢筋锈蚀产物微观结构较致密,不同锈蚀产物中Fe、O原子比存在较大差异,各锈蚀组分所占比例不同,同时检测到了一定比例的Cl元素,钢筋锈蚀与Cl-的侵蚀紧密相关。

基于纳米压痕反向分析的Fe-32Ni超因瓦合金介观尺度弹塑性本构关系

采用纳米压痕技术和电子背散射衍射分析技术对Fe-32Ni超因瓦合金不同取向的晶粒进行了测试,得到了材料在(001)、(101)和(111)取向下的弹性模量和硬度。同时基于量纲分析提出了一种改进的反向算法,并结合有限元仿真对Fe-32Ni超因瓦合金的纳米压痕过程进行了反向分析和计算,通过纳米压痕实验曲线与仿真曲线的对比,最终获得材料在(001)、(101)和(111)取向下的应力应变关系,结果表明:(001)取向下晶粒的屈服强度最高,(101)取向下晶粒的屈服强度最低。此外,(101)和(111)取向的晶粒屈服后的应力-应变曲线变化趋势较为一致,而(001)取向下的应力-应变曲线变化较为平缓,材料在不同取向下的力学响应具有明显的各向异性。

基于纳米压痕和FE-SEM技术探究页岩页理结构对其微——宏观力学行为的影响

页岩颗粒具有多变的几何形状与复杂的排列组合方式,在宏、细及微观尺度上分别体现为层理、层偶及颗粒的定向排列结构。笔者等以鄂尔多斯盆地长7页岩为研究对象,基于大量的扫描电镜图像确立了颗粒粒度分布分形维数、颗粒与孔隙定向分形维数等刻画页岩颗粒定向排列的指标.

基于纳米压痕试验的氢致双相不锈钢微力学性能变化

通过纳米压痕方法对氢致铁素体-奥氏体双相不锈钢中微观力学性能变化行为进行研究,试验选用2205双相不锈钢为研究对象,通过不同充氢时间下获得的铁素体相和奥氏体相的压痕载荷-位移曲线,分析了铁素体相和奥氏体相的纳米硬度变化规律。结果表明,铁素体相和奥氏体相的纳米硬度随充氢时间的增加而增加,表现出氢致硬化的现象,充氢3 h后两相的氢致硬化效果基本达到饱和状态,其中奥氏体相的氢致硬化程度明显高于铁素体相。研究结果揭示了铁素体相和奥氏体相氢致硬化规律的差异,并论证了纳米压痕方法在微观力学氢损伤方面的研究优势。

胶凝砂砾石纳米压痕试验及系统聚类法界面过渡区的研究

针对胶凝砂砾石材料微观力学性能的研究成果较少的问题,以及胶凝砂砾石材料界面过渡区的存在性问题,提出了胶凝砂砾石不同相的确定方法以及界面过渡区尺寸的确定方法.结合纳米压痕试验,绘制微观力学性能图像,采用系统聚类法对测试矩阵内的测试点进行分类.在试验阶段,考虑到胶凝砂砾石的材料特性,完善了“30-2-30”测试制度,通过荷载-深度曲线结合Oliver-Pharr方法求出胶凝材料硬度H为0.18 GPa,折合模量Er为13.13 GPa,砂砾石材料硬度H为8.60 GPa,折合模量Er为84.56 GPa.在计算阶段,采用系统聚类法确定界面过渡区范围,确定其尺寸约为18μm.

高熵合金CoCrFeMnNi尺寸依赖性的纳米压痕模拟

采用分子动力学方法模拟了CoCrFeMnNi高熵合金的纳米压痕变形过程,并针对压头尺寸和压入晶向两种因素对该材料力学性能影响方式及其相应的微观结构演化机理进行了研究。通过赫兹曲线拟合验证了模拟的正确性,研究结果表明:随着压头半径从3 nm增至6 nm,材料会出现塑性延迟现象,且硬度随之减小,沿[001]、[110]、[111]3种压入方向分别减少了9.78%、4.62%和12.97%;随压头尺寸的增大,位错长度和密度整体均呈增长趋势;但当压头尺寸增大到一定程度时,沿着晶向[110]、[111]的压入过程中会出现位错环脱落现象,导致在个别工况下位错密度并无增长。整体上看,随着压头尺寸的增大,CoCrFeMnNi高熵合金材料中开动的滑移系增多,并且塑性变形增大。

脉冲激光焊接Zr基非晶合金晶化后纳米压痕行为

试验采用脉冲激光束将Zr基非晶合金与铝结合,研究焊接接头中非晶合金晶化后的纳米压痕变形行为。该文从自由体积与塑性变形能量耗散的角度详细分析了不同晶化相含量对变形行为的影响。焊接接头不同区域的微区X射线衍射研究表明,由于不同的冷却速率可形成3个不同的结晶度区域,焊缝由部分结晶区域(熔合区和热影响区)和非晶态区域(BMGs母材)组成,并且形成了Zr2Cu和Zr2Ni等硬质金属间化合物。该文讨论了压痕周围的锯齿状流动行为和堆积形态,验证了非晶合金中,自由体积越大的区域在纳米压痕过程中呈现出更明显的锯齿,结晶率最高的熔合区具有最高的纳米压痕硬度和约化弹性模量。在1600~3100μN压痕载荷范围内,纳米压痕中的塑性变形能耗随压痕载荷的增大而增大。

纳米压痕法测量航空发动机关键材料残余应力的研究进展

随着航空发动机的需求日益增加,人们对合金性能的要求也越来越高。在制造和加工过程中引入的残余拉应力会严重影响合金的力学性能,从而缩短发动机的服役寿命。因此,残余应力的测量对发动机的可靠性和安全性起着关键性作用。本文系统归纳了纳米压痕技术的测量原理,包括接触深度、接触刚度、接触面积、硬度以及弹性模量的计算,介绍了纳米压痕测量残余应力计算模型(如Suresh、Lee、Xu、Wang、Kim以及Peng等模型)的分析过程,对比了计算模型之间的优缺点,详细综述了纳米压痕理论在航空发动机关键材料(如不锈钢、铝合金、钛合金、镍基高温合金)残余应力测量中的最新研究进展,总结了残余应力计算模型存在的不足,同时展望了纳米压痕法测量残余应力的发展方向。

基于纳米压痕试验的沥青混合料ITZ识别及力学性能

采用纳米压痕试验研究了2种沥青混合料的界面过渡区(ITZ),并基于微观断裂韧度指标评价了ITZ的力学特性.结果表明:玄武岩沥青混合料ITZ的厚度为6~12μm,石灰岩沥青混合料ITZ的厚度为10~18μm;ITZ的力学特性与集料更为接近,沥青混合料抗开裂性能和稳定性受沥青与集料的共同影响,ITZ的断裂韧度越大,沥青混合料的抗开裂性能越好;裂缝容易在ITZ和沥青胶浆的交界处展开,特别是沥青混合料更容易在ITZ和沥青胶浆的交界处发生脆性断裂.

水环境下单晶铜纳米压痕缺陷演化与弹塑性变形行为研究

从原子尺度探寻单晶铜在水介质参与下的纳米压痕实验过程中材料的塑性变形规律以及位错形核和缺陷演化过程。采用分子动力学方法,使用Lammps进行水环境下单晶铜纳米压痕模拟,观察压头在加载和卸载过程中的原子瞬态图像,最后得出其压痕过程的载荷-位移曲线,探究其弹塑性变形规律;通过Ovito可视化软件观察单晶铜在纳米压痕过程中HCP晶格类型的铜原子结构,分析单晶铜内部位错演化的4个阶段,观察位错环的形核生长以及发射行为,探究不同位错环之间的形核演化异同,分析位错环的关联耦合效应。对比真空与水介质条件下二者的异同,结果表明:在加载过程中,水分子带走了单晶铜塑性变形的大部分能量,导致单晶铜的位错缺陷的种类和规模均会减小;在卸载过程中,由于水分子的残留,单晶铜表面更加粗糙,单晶铜亚表层的变形也更加严重。另外,不同位错环之间的演化过程较为相似,但压头下压深度越大,位错环的形核时间越滞后,位错规模越小。由此得出,在水环境中,材料的位错变形种类和规模都可以被有效地控制。

电解抛光对含珠光体组织材料纳米压痕测试结果的影响

将含珠光体组织的HRB600热轧带肋高强钢筋在不同体积分数(20%,10%)高氯酸乙醇电解液和电解电压(20,15 V)下进行电解抛光,再进行纳米压痕测试,研究了电解抛光条件对纳米压痕测试结果的影响。结果表明:电解抛光后钢筋中的珠光体组织呈深黑褐色,铁素体组织呈白色,当电解液中高氯酸的体积分数为20%、电解电压为20 V时,两者的衬度差异较大,电解腐蚀程度较大,珠光体中渗碳体和铁素体的平均高度差较大,即表面粗糙度较大;较大的表面粗糙度导致纳米压痕载荷-位移曲线出现平台,纳米压痕测试失真。推荐电解抛光条件为电解液中高氯酸体积分数为10%,电解电压为15 V,电流为3 A,电解时间为6 s,温度为室温。

2219-T6/2195-T8异质铝合金搅拌摩擦焊接头的纳米压痕表征研究

本文采用搅拌摩擦焊对2219-T6和2195-T8进行异质焊接。用纳米压痕建立接头的微观结构与纳米力学性能之间的关系。在搅拌摩擦焊接过程中,SZ的晶粒通过动态再结晶细化,其动态再结晶主要机制为连续动态再结晶和几何动态再结晶;由于材料本身特性,2195的整体显微硬度高于2219,且每个微区显微硬度下降是由于沉淀相的粗化和溶解;蠕变机制主要是位错滑移。晶界、位错和粗沉淀共同作用于材料的抗蠕变性能,并且粗沉淀占主要作用。

Cu-Fe合金时效后纳米压痕模拟

分子动力学模拟的方法从原子层面揭示了材料演化的过程细节,架起了沟通微观与宏观世界的桥梁,可以指导高性能材料的开发研究。文章采用分子动力学方法研究了Cu-Fe合金时效后纳米压痕性能。采用嵌入原子势(EAM)模拟了Cu-Fe 1%合金在650K及950K温度时效后的纳米压痕过程,结果表明:不同时效温度对铜铁合金的纳米压痕性能产生了重要影响。950K时效后的合金较650K时效后的合金在纳米压痕模拟过程中产生了更多的位错,大量的位错导致了合金的弹性性能受到影响,在虚拟压头下压过程中多次出现载荷下降-上升现象。

基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切,是剖析宏观力学性质机理的关键指标,也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述,演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象,通过以纳米压痕实验为主,低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段,实现了纳米压痕实验关键参数优选,并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明:(1)预实验结果显示,低载荷、小量程下,最大压入深度在1 000 nm左右(对应峰值载荷约为9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验;(2)煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组,且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近,说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性;(3)煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅”形式共同影响其微观力学性质,即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升,下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响,上升段化学组分和结构为主控因素;惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加,始终以受化学组分和结构控制为主。煤岩微观力学性质研究可广泛运用于微观尺度下的煤基质变形机制分析、水力压裂过程中微裂缝的产生与拓展探究以及开发有利区优选。

剧烈塑性变形铜锌合金的纳米压痕性能研究

采用室温扭转试验对Cu-Zn合金进行剧烈塑性变形,并利用纳米压痕技术对扭转不同圈数的Cu-Zn合金热处理后的力学性能开展研究。基于Oliver-Pharr模型和量纲分析获得Cu-Zn合金在不同扭转圈数下的杨氏模量、硬度、屈服应力与应变硬化指数。结果表明,随着扭转圈数增加,Cu-Zn合金平均晶粒尺寸逐渐减小;在相同的扭转圈数下,轴向平均晶粒尺寸小于径向晶粒尺寸。合金的显微硬度和杨氏模量随载荷的增加而减小。基于量纲分析获得的合金平均屈服强度为0.099 GPa,平均应变硬化指数为0.26,与试验测试结果基本符合。

基于纳米压痕的煤系泥岩细观力学及断裂性能试验研究

以口孜东煤矿煤系泥岩为对象,开展了纳米压痕试验,基于弹性接触理论以及能量原理,研究了泥岩岩样的细观力学性质及断裂力学特征,探讨了泥岩内部不同矿物成分之间的细观力学行为差异。研究结果表明:相同的最大压痕载荷条件下,泥岩表面压痕点深度变化不一,压痕点弹性模量约在2~114GPa范围内,而硬度在0~16GPa范围内变化,体现了泥岩的不均质性;基于弹性模量概率分布曲线,近似获得了泥岩三种主要的矿物成分,包括黏土类矿物(~7.83GPa)、绿泥石类矿物(~41.67GPa)以及石英矿物(~97.29GPa);黏土类矿物、绿泥石类矿物及石英矿物的断裂韧度分别约为0.09、0.91和1.95MPa·m^(1/2),而黏土类矿物断裂韧度所占比例较高(~70.0%),该矿物对泥岩宏观断裂力学性质起决定性作用。

固溶态和时效态7075铝合金的微纳米压痕力学行为

采用微纳米压痕实验研究了固溶态和时效态7075铝合金的力学性能和压痕蠕变行为,获得了其力学本构方程、应力-应变曲线和蠕变应力指数。结果表明:两种状态铝合金的硬度和弹性模量均随着载荷的增大而减小,并在压痕深度小于1μm时表现出明显的尺寸效应。固溶态和时效态铝合金的屈服强度分别为446 MPa和497 MPa,抗拉强度分别为594 MPa和691 MPa。两种状态合金的最大蠕变深度和蠕变应力指数变化趋势相似,均随载荷和加载速率的增大而增大。

水泥基材料高速纳米压痕聚类分析与矿相识别

通过高速纳米压痕技术测绘了3种水灰比(0.2、0.4和0.6)水泥净浆的弹性模量与硬度云图,引进K-medoids聚类分析方法划分水泥基材料的微观矿相,根据K-medoids聚类结果将力学性能图转化为矿相分布图,并对矿相的尺寸分布进行了统计分析.结果表明:水泥基材料主要包括多孔复合相(PP)、低密度/高密度C-S-H相(LD/HD C-S-H)、氢氧化钙相(CH)和超高性能相(UHP)等;随着水灰比的增加,PP、LD C-S-H的含量逐渐增加,HD C-S-H、UHP的含量逐渐减少;水泥石微观矿相的尺寸符合对数正态分布.