TC17钛合金表面残余应力的点阵式维氏压痕测试

采用点阵式维氏压痕测试方法得到TC17钛合金表面12个测试点的载荷-深度曲线;通过等效材料维氏压痕模型计算合金表面12个测试点的双向残余应力和单向残余应力,将残余应力值代入ANSYS 19.2有限元分析软件中得到载荷-深度曲线,并进行试验验证。结果表明:试验得到表面不同测试点的应力均为残余拉应力;采用有限元方法模拟得到双向残余应力和单向残余应力下的载荷-深度曲线与试验结果吻合较好,载荷-深度曲线的加载曲率的相对误差均小于1.5%,等效材料维氏压痕模型可以准确地预测合金表层单向残余应力和双向残余应力分布。

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。

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究

通过对低速冲击试验和准静态压痕试验进行对比,获得了冲击能量(准静态压痕力)与层压板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度的三组对应关系。分析表明,损伤面积、损伤宽度和凹坑深度均可作为损伤参数来建立低速冲击和准静态压痕损伤的等效性。当冲击能量或准静态压痕力达到一定值后,三组对应关系曲线上出现拐点,两类试验的拐点相差很小,且两类试验的变化趋势相同,初步说明了用准静态压痕试验替代低速冲击试验是可行的,同时在较低冲击能量(拐点值之前)下准静态压痕力近似等于相对应的冲击能量下冲击过程的最大接触力。对两类试验过程进行分析,准静态压痕试验的初始分层载荷较冲击试验稍低,但两类试验过程中载荷的变化趋势相同,进一步说明了低速冲击试验和准静态压痕试验损伤的等效性。

陶瓷材料维氏压痕形貌仿真与实验分析

基于有限元数值分析模型对陶瓷材料维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真。以Si3N4和ZrO2两种典型陶瓷材料为例,对其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和维氏硬度进行对比,结果表明,Si3N4和ZrO2的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长分别相差0.39%和-0.53%,维氏硬度分别相差-2.7%和4.2%。随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5,有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长分别相差0.28%和0.27%,维氏硬度分别相差0.14%和0.21%。此外,应用本方法对其他几种典型陶瓷材料(Al2O3,ZTA,SiC,Silica)维氏压入有限元仿真计算值与实验真实测量值进行了对比,其压痕对角线半长分别相差1.14%,-0.57%,-0.89%,0.41%,维氏硬度分别相差-2.24%,1.12%,1.85%,-0.86%。据此可知,陶瓷材料维氏压痕形貌可由有限元数值仿真方法获得,从而解决了陶瓷材料维氏硬度测试过程中因压痕不够清晰导致的测量数据不准问题,为下一步探索基于仪器化压入响应识别陶瓷材料维氏硬度以及其他各力学性能参数提供技术基础。

基于ANSYS的材料模型属性的建立与压痕量的分析

材料模型属性描述的准确性在ANSYS分析中尤为关键,本文通过实验方法获得了典型材料的力学参数,特别是材料在塑性阶段的应力应变关系,并对实验数据进行了有效的整理,在ANSYS中建立了这些材料的模型属性,分析了在局部载荷下的压痕深度,计算其有限元硬度值,比较实验硬度值和有限元硬度值。结果表明材料弹塑性参数的实验数据准确,ANSYS材料模型属性建立有效。

维氏压入压痕形貌仿真与实验分析

基于有限元数值分析模型对维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真。以6061铝合金为例,对其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离进行对比,结果表明,6061铝合金的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别为0.99%和-0.75%,且随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5,有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别变化为4.556%和8.891%。据此可知,材料维氏压入压痕形貌可由有限元数值仿真方法获得,从而解决了小载荷硬度测试情况下因压痕不够清晰导致的压痕形貌测量难题,为探索基于压痕形貌识别材料弹塑性参数的可能性提供技术基础。

C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。

利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性

压痕法是测量材料断裂韧性(K_(IC))的常用方法之一,如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式,是当前面临的一大问题.因此,在不同载荷下对单晶硅(111)和碳化硅(4H-SiC,0001面)这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验,对实验产生的裂纹长度c进行了统计分析,并采用13个压痕公式计算材料的K_(IC),开展了微米划痕实验,验证压痕法评估半导体材料K_(IC)的适用性.研究结果表明:为了消除维氏压痕实验产生的c的固有离散性,需要多次测量取平均值;裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大;材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹,高载荷下表现为中位裂纹;与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的K_(IC)平均值(分别为0.96 MPa·√m和2.89 MPa·√m)相比,在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的K_(IC)计算公式;基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的K_(IC),且维氏压头下的KIC与玻氏压头下K_(IC)的关系不是理论上的1.073倍,应为1.13±0.01倍.

蠕变压痕实验的计算机模拟

采用有限元的方法对双相材料的蠕变压痕实验进行了数值模拟，在有限元数值解的基础上，定义了相应于传统单轴蠕变实验的“等效应力”和“等效应变”，建立了蠕变压痕实验同传统单轴蠕变实验之间的关系，给出了确定薄膜蠕变应力指数和蠕变常数的方法；同时数值解的结果表明，实验中通过控制压痕深度不超过薄膜厚度的 ５％～１０％，忽略基体的硬化指数对确定薄膜性能的影响存在一定的误差，但基体的弹性模量对确定薄膜的蠕变性能影响不大。

基于维氏压入理论模型的材料塑性参数与硬度一体化预测方法

相较于布氏和洛氏硬度,维氏硬度具有测量范围广和压入深度浅等优点。对于均匀连续、各向同性、具备幂硬化特征的金属材料,利用能量等效方法建立描述维氏压入荷载-深度关系的弹塑性模型,从而结合硬度定义公式获得了材料塑性参数与维氏硬度的显式理论关系,并由此提出一种通过仪器化压入荷载-深度曲线一体化预测维氏硬度与材料塑性参数的新方法。在包含钢材、铜材、铝材等实际材料单轴拉伸性能对应HOLLOMON模型参数范围内,借助大量有限元分析展开广泛的正向与反向预测验证。针对相关文献中的9种延性金属材料,利用已有维氏压入试验数据并结合一体化压入预测方法进行计算分析,结果表明,该方法预测的维氏硬度、HOLLOMON模型参数均与常规标准试验结果吻合良好。

低速冲击与准静态压痕力下复合材料层合板的损伤等效性

低速冲击与集中准静态压痕(QSI)力对复合材料层合板所造成的损伤具有等效性。通过两类损伤方式对比试验,获得了冲击能量(或准静态压痕力)与层合板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度3组对应关系。3组关系的对比分析表明,凹坑深度是表征损伤的最佳参数,因此将凹坑深度作为损伤参数来建立落锤冲击损伤与准静态压痕力损伤间的等效关系。发现拐点是层合板纤维和基体整体抵抗冲击(或准静态压痕力)能力的最大值,两类试验的拐点相差很小,且两类试验变化趋势相同,说明了用集中准静态压痕试验取代落锤低速冲击试验是可行的。对相同凹坑深度下的冲击能量与准静态压痕力进行了数值分析,并提出了冲击能量与准静态压痕力间的等效性公式。研究表明,文中建立的等效性公式能够很好地反映落锤冲击能量与准静态压痕力之间的关系,可为今后由集中准静态压痕试验代替落锤冲击试验提供理论支持。

四肢圆钢管混凝土格构柱恢复力模型研究

为了探究钢管混凝土格构柱的弹塑性地震反应以便进行构件非线性理论分析,对2根四肢圆钢管混凝土格构柱进行了低周反复加载试验,并收集了12根四肢圆钢管混凝土格构柱低周反复荷载作用下的试验资料。通过理论分析及试验结果回归分析,提出了钢管混凝土格构柱的退化三折线恢复力模型,确立了构件轴压比、等效长细比及材料比例系数等主要参数与模型之间的关系,并将模型计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:计算结果和试验结果吻合较好,且该恢复力模型计算方法简单,便于进行结构地震反应分析及工程应用。

一种简便评估准晶材料断裂韧性的方法

本文介绍了一种简单评估准晶材料Al59Cu2 5.5Fe1 2 .5B3 的断裂韧性的方法。根据维氏(Vickers)压痕试验法测量的显微硬度和利用扫描电子显微镜 (SEM )测定压痕的径向裂纹尺寸 ,计算出断裂韧性为 1.34MPam-1 / 2 。

GB/T 4340.1—2009标准问题解答

问题1:GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》标准附录C指出日常检测之前应使用标准硬度块上的标准压痕进行压痕测量装置的间接检验,请问什么是标准压痕?我们的标准硬度块检定证书上没有标准压痕怎么办?解答:GB/T 4340.1—2009附录C规定:日常检测之前,对每个标尺和硬度水平应使用依照GB/T4340.3—2012《金属材料维氏硬度试验第3部分:标准硬度块的标定》标定过的标准硬度块上的标准压痕进行压痕测量装置的间接检验。压痕测量值应与标准硬度块证书上的标准值相差在GB/T 4340.2给出的最大允许误差范围内。如果测量装置不能满足上述要求,应采取相应措施。

铜铝复合材料微观力学性能测试

划痕测试方法是一种高分辨率的测试手段及检测方法,能够在微观尺度下观察材料表面结构形态。测试结果可获取材料的摩擦系数、硬度、表面粗糙度等重要表面信息及力学参数,并结合沟槽形貌、试件表面残余形貌来评价试件表面的抗摩擦磨损性能及薄膜的结合能力,从而揭示材料深层结构与其表面性质的内在联系。本文通过两种加载方式,针对铜铝复合材料进行划痕试验和硬度测量,结合划痕形貌和测得硬度值,研究了在不同载荷及接触深度条件下,薄膜复合材料的微观形貌及材料特性,可以看出铝基底层中靠近压头尖端的划痕区,微观形态相对光滑平坦。此外,在压痕试验中,在较小的压痕深度下,维氏硬度急剧下降,随着压痕深度的增加,维氏硬度更接近于基片层的硬度,但仍然大于基底材料硬度,揭示了镀膜层和交界面的粘着抑制了基底层的塑性流动和堆积行为。

基于LEM模型的断裂韧性改进公式

基于压痕断裂有限元仿真,提出了以LEM压痕断裂模型为基础的断裂韧性计算公式,并通过对典型陶瓷材料试样的Vickers压入实验,对比了新公式与传统压痕断裂解析公式的断裂韧性测试精度。结果表明:新公式克服了传统压痕断裂解析公式测试精度随材料比功值变化而显著变化的系统性误差问题,适用材料范围更广泛,整体测试精度提高到±20%以内,解决了传统解析公式断裂韧性测试结果偏差过大、可靠性差的问题。

碳纤维增强树脂复合材料细观蠕变性能

碳纤维增强树脂复合材料以其优异的性能,在各领域得到广泛应用。由于树脂基体具有黏弹性,使其合成的复合材料也表现出黏弹性行为。蠕变是材料黏弹性行为中最典型的一类现象,因此对碳纤维增强树脂复合材料细观蠕变性能的研究具有重要意义。室温下利用纳米压痕技术对碳纤维增强树脂复合材料中的基体、界面及纤维相在不同峰值载荷下的细观蠕变行为进行分析。结果表明:在相同的蠕变时间下,最大载荷为2 mN和10 mN的纤维蠕变位移约为基体蠕变位移的1/3和1/2,界面的蠕变位移介于两者之间;稳态蠕变阶段的蠕变速率小于0.1%;基体、界面、纤维的蠕变应力指数分别为3.6、2.9和2.1。同时根据KelvinVoigt模型得到了基体、界面及纤维的第一、第二复数模量、黏度系数及蠕变柔量。

冲击载荷下叠层连接材料的建模与计算

叠层连接材料由于其不同层的材料差异使得层间作用力具有不确定性。该文针对叠层连接材料的特点,在复合材料损伤破坏模型基础上,根据小变形弹性理论建立了叠层连接材料的简化单层等效力学模型。为了验证等效力学模型的正确性,将计算结果同Hopkinson压杆实验的结果进行对比,并在此基础上利用实验数据确定等效力学模型计算所需材料参数,采用ANSYS/LS-DYNA有限元计算软件数值模拟计算了筒状壳体在冲击载荷下的动力学响应。研究结果表明:叠层连接材料等效力学模型可以减少计算时间,并保证必要的计算精度,准确地描述叠层连接材料在冲击载荷作用下的力学性能。