材料应力-应变的球形纳米压入法研究进展
发布时间：2021-08-18 16:24
应力-应变（σ-ε）关系是材料设计和开发的重要指标。单轴拉伸与压缩实验是获得材料应力-应变关系的重要手段,然而受限于尺寸要求,它们难以应用于微纳米尺度下的表征。基于深度敏感的仪器化纳米压入仪具有高的载荷和位移精度,被广泛应用于研究微纳尺度材料的力学性能,例如弹性模量、硬度、应变速率敏感指数与蠕变参数等。近年来国内外研究者开展了从纳米压入的载荷-位移（P-h）曲线中直接获取材料完整σ-ε关系的研究,其中球形压头具有平滑与非自相似应力应变场,得到了广泛关注。球形压入分析的难点在于被压材料处于三轴应力状态,不均匀的应力应变分布使得压入应力与压入应变难以直接测量。为简化分析,研究者们提出了诸多定义,例如不同的压入应变、代表性应力和代表性应变定义等。其分析方法也纷杂各异,根据实现过程可大致分为经验物理法以及模拟分析法两大类。在经验物理法中,通过定义压入区域内代表性应力与代表性应变,并分别将它们近似为单轴塑性流变的应力与应变,从而实现P-h曲线到σ-ε关系的转换。该种方法简单易行且得到广泛应用,但其结果依赖于上述代表性物理量的选取与定义,并对实验测量精度非常敏感。在模拟分析法中,研究者首先通过模拟...
【文章来源】：材料导报. 2019,33(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
载荷-位移曲线与(b)球形压入的剖面示意图
图3(a)球形压入原始区域示意图;对比两种压入应变分析的(b)钨和(c)铝压入应力-应变曲线［2］Fig．3(a)Schematicofasphericalindentationshowingtheprimaryzoneofindentation;acomparisonoftheextractedindentationstress-straincurvesfor(b)tungstenand(c)aluminum，usingthetwodifferentdefinitionsofindentationstrain［2］图4(a)显微压入载荷-位移曲线与(b)压入应力-应变曲线，接触半径由卸载线通过线性回归方法确定，红色数据表示初始弹性阶段用以计算有效杨氏模量［37］;(c)退火Ti-64β在不同尺寸球型压头下的压入应力-应变曲线与压入区域示意图［38］Fig．4(a)Microindentationload-depthcurve，and(b)stress-straincurve，eachunloadwasanalyzedusingthesamelinearregressiontodeterminethecontactradius，thereddatacorrespondstotheinitialelasticsegmentusedtodeterminetheeffectivemodulus［37］;(c)indentationstress-straincurveofTi-64βannealedsampleswithdifferentindentersize，andschematicrepresentativeofprimaryindentationzone［38］为将其转换为单轴状态下的应力-应变关系，Tabor［13，30］最早通过实验研究了低碳钢和铜压坑内不同点的应力、应变与单轴压缩曲线的关系，发现以压坑边缘作为代表性点，对应的代表性应力σr、代表性应变εr与单轴的流变应力、应变具有简单的线性转换关系，见式(3)，此时限制因子C*为2．8，εr=0．2a/Ｒi。在此之后，许多研究者提出不同的限制因子形式，如表1所示。采用常数限制因子作为弹性、弹塑性过渡和完全塑性阶3941材料应力-应变的球形纳米压入法研究进展/汪可华等
-幂函数硬化三种类型。其主要区别在于对塑性阶段的描述，图6a中屈服平台的假设简化了实验参数，也易得到限制因子C*［6，22，27，31］;图6b中采用简单线性关系描述塑性阶段硬化过程，该理想弹性-线性硬化模型也称为“bi-linear”曲线［22，31，47-48］;图6c中采用了幂函数描述塑性阶段，与材料实际σU-εU曲线更为接近，虽然部分文献［47，49］指出对于一些特殊材料(如00Cr18Ni10不锈钢)，计算结果存在较大误差，但对大部分材料，与实际值吻合较好［50］，故被广泛使用。图6三种应力-应变本构方程:(a)理想弹性-屈服平台;(b)理想弹性-线性硬化;(c)理想弹性-幂函数硬化(εy为屈服点应变，K为线性硬化速率)Fig．6Threekindsofconstitutiveequationofstress-strain:(a)perfectelasticity-yieldplatform;(b)perfectelasticity-linearhardening;(c)perfectelasticity-powerlawhardening(εyisyieldstrainandKislinearhardeningratio)图7h/Ｒi=0．06时3个代表性应变下的无量纲函数:(a)εr=0．012;(b)εr=0．0316;(c)εr=0．06(εr=0．0316为使无量纲函数独立于硬化指数的特殊代表性应变);(d)特殊代表性应变与h/Ｒi的对应关系［51］Fig．7Dimensionlessfunctionconstructedforh/Ｒi=0．06byapplyingthreedifferentrepresentativestrain:(a)εr=0．012;(b)εr=0．0316;(c)εr=0．06，εr=0．0316hasbeenidentifiedwhichmakesthedimensionlessfunctionindependentofstrainhardeningexponent;(d)identifiedrepresentativestraincorre-spondingtovarioush/Ｒi［51］3．2反演分析法(1)量?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于球形压入法提取材料的塑性力学参数[J]. 姜鹏,张泰华,杨荣,梁乃刚. 力学学报. 2009(05)
[2]纳米硬度技术的发展和应用[J]. 张泰华,杨业敏. 力学进展. 2002(03)
[3]纳米硬度计及其在微机电系统中的应用[J]. 张泰华,杨业敏. 现代科学仪器. 2002(01)
[4]纳米压入法MEMS材料力学性能测量与评定标准化的初步设想[J]. 赵则祥,王海容,蒋庄德. 机械强度. 2001(04)
本文编号：3350223
【文章来源】：材料导报. 2019,33(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
载荷-位移曲线与(b)球形压入的剖面示意图
图3(a)球形压入原始区域示意图;对比两种压入应变分析的(b)钨和(c)铝压入应力-应变曲线［2］Fig．3(a)Schematicofasphericalindentationshowingtheprimaryzoneofindentation;acomparisonoftheextractedindentationstress-straincurvesfor(b)tungstenand(c)aluminum，usingthetwodifferentdefinitionsofindentationstrain［2］图4(a)显微压入载荷-位移曲线与(b)压入应力-应变曲线，接触半径由卸载线通过线性回归方法确定，红色数据表示初始弹性阶段用以计算有效杨氏模量［37］;(c)退火Ti-64β在不同尺寸球型压头下的压入应力-应变曲线与压入区域示意图［38］Fig．4(a)Microindentationload-depthcurve，and(b)stress-straincurve，eachunloadwasanalyzedusingthesamelinearregressiontodeterminethecontactradius，thereddatacorrespondstotheinitialelasticsegmentusedtodeterminetheeffectivemodulus［37］;(c)indentationstress-straincurveofTi-64βannealedsampleswithdifferentindentersize，andschematicrepresentativeofprimaryindentationzone［38］为将其转换为单轴状态下的应力-应变关系，Tabor［13，30］最早通过实验研究了低碳钢和铜压坑内不同点的应力、应变与单轴压缩曲线的关系，发现以压坑边缘作为代表性点，对应的代表性应力σr、代表性应变εr与单轴的流变应力、应变具有简单的线性转换关系，见式(3)，此时限制因子C*为2．8，εr=0．2a/Ｒi。在此之后，许多研究者提出不同的限制因子形式，如表1所示。采用常数限制因子作为弹性、弹塑性过渡和完全塑性阶3941材料应力-应变的球形纳米压入法研究进展/汪可华等
-幂函数硬化三种类型。其主要区别在于对塑性阶段的描述，图6a中屈服平台的假设简化了实验参数，也易得到限制因子C*［6，22，27，31］;图6b中采用简单线性关系描述塑性阶段硬化过程，该理想弹性-线性硬化模型也称为“bi-linear”曲线［22，31，47-48］;图6c中采用了幂函数描述塑性阶段，与材料实际σU-εU曲线更为接近，虽然部分文献［47，49］指出对于一些特殊材料(如00Cr18Ni10不锈钢)，计算结果存在较大误差，但对大部分材料，与实际值吻合较好［50］，故被广泛使用。图6三种应力-应变本构方程:(a)理想弹性-屈服平台;(b)理想弹性-线性硬化;(c)理想弹性-幂函数硬化(εy为屈服点应变，K为线性硬化速率)Fig．6Threekindsofconstitutiveequationofstress-strain:(a)perfectelasticity-yieldplatform;(b)perfectelasticity-linearhardening;(c)perfectelasticity-powerlawhardening(εyisyieldstrainandKislinearhardeningratio)图7h/Ｒi=0．06时3个代表性应变下的无量纲函数:(a)εr=0．012;(b)εr=0．0316;(c)εr=0．06(εr=0．0316为使无量纲函数独立于硬化指数的特殊代表性应变);(d)特殊代表性应变与h/Ｒi的对应关系［51］Fig．7Dimensionlessfunctionconstructedforh/Ｒi=0．06byapplyingthreedifferentrepresentativestrain:(a)εr=0．012;(b)εr=0．0316;(c)εr=0．06，εr=0．0316hasbeenidentifiedwhichmakesthedimensionlessfunctionindependentofstrainhardeningexponent;(d)identifiedrepresentativestraincorre-spondingtovarioush/Ｒi［51］3．2反演分析法(1)量?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于球形压入法提取材料的塑性力学参数[J]. 姜鹏,张泰华,杨荣,梁乃刚. 力学学报. 2009(05)
[2]纳米硬度技术的发展和应用[J]. 张泰华,杨业敏. 力学进展. 2002(03)
[3]纳米硬度计及其在微机电系统中的应用[J]. 张泰华,杨业敏. 现代科学仪器. 2002(01)
[4]纳米压入法MEMS材料力学性能测量与评定标准化的初步设想[J]. 赵则祥,王海容,蒋庄德. 机械强度. 2001(04)
本文编号：3350223
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