纳米压痕技术检测残余应力

纳米压痕技术及其应用

傅杰

摘要： 纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，在

材料科学的各个领域都得到了广泛的应用，本文主要针对纳米压痕技术及其应用做一个简单概述。

关键字：纳米压痕技术，应用 一、引言

传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后。通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度这种测量方法的缺点之一是仅仅能够得到材料的塑性性质。另外一个缺点就是这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。

新兴纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化, 在线监测压深量, 由于施加的是超低载荷, 加上监测传感器具有优于1 nm 的位移分辨率, 所以, 可以获得小到纳米级的压深, 它特别适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等???。

二、纳米压痕技术概述

纳米硬度计主要由轴向移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元等四部分组成。压头材料一般为金刚石，常用的有伯克维奇压头(Berkovich)和维氏(Vicker)压头。压入载荷的测量和控制是通

铸造残余应力及时效方法 牟行辉 （陕西秦川机床工具集团有限公司，陕西 宝鸡 721009） 铸件在凝固和冷却过程中，由于各部分的冷却速度差异、收缩受阻、及组织转变引起体积变化等因素，不可避免的会产生铸造应力。如果铸造应力未得到释放，将会以残余应力的形式保留在铸件内。铸件的残余内应力越大，会使零件在放置、运转、加工和使用过程产生变形，尺寸精度降低严重时会发生开裂。 1，铸造残余应力的形成 铸造残余应力是由铸造应力未得到释放而存在于铸件内部的，铸造应力是热应力、相变应力、机械阻碍应力的代数和。[1] 1.1，热应力：铸件各部分冷却速度不同，造成各部分的收缩量不一样，但是铸件的各部分连成一个整体，因此在彼此之间会产生制约而产生应力。这种由线收缩受热阻碍引起的热应力，一般会成为铸件的残余应力。其大小与铸件的壁厚差异大小有关，铸件壁厚差异越大，残余应力就越大。 1.2，相变应力：铸件冷却过程发生固态相变的时间和程度不同，其体积变化也不一样，各处相互制约，由此会形成相变应力。相变应力一般会形成铸件的残余内应力。 1.3，机械阻碍应力：铸件冷却到弹性状态，由于受到机械阻碍而产生应力。如型砂的退让性太差，阻碍铸件收缩，会使铸件产生机械阻碍应力

纳米压痕实验报告

姓名：张永钦 学号： 专业：力学 班级：

15120982 15-01

一、实验目的

1. 了解材料微纳米力学测试系统的构造、工作原理。 2. 掌握载荷-位移曲线的分析手段。 3. 用纳米压痕方法测定的杨氏模量与硬度。

二、实验仪器和设备

TriboIndenter型材料微纳米力学测试系统

三、实验原理与方法

纳米压痕技术又称深度敏感压痕技术，它通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压入深度。一个完整的压痕过程包括两个步骤，即所谓的加载过程与卸载过程。在加

载荷 加载曲线 载过程中，给压头施加外载荷，使之压入样品表面，随着载荷的增大，压头压入样品的深度也随之增加，当载荷达到最大值时，移除外载，样品表面会存在残留的压痕痕迹。图1为典型的载荷-位移曲线。

从图1中可以清楚地看出，随着实验载荷的不断增大，位移不断增加，当载荷达到最大值时，位移亦达到最大值即最大压痕深

卸载曲线 Pmax S hr hmax 位移

图1 典型的载荷-位移曲线

度hmax；随后卸载，位移最终回到一固定值，此时的深度叫残留

附录

Residual Stresses

A residual stress is one that exists without external loading or internal

temperature differences on a structure or machine. It is usually a result of manufacturing or assembling operations. Sometimes it is called initial stress, and the operations, prestressing. When the structure or machine is put into service, the service loads superimpose stresses. If the residual stresses add to the service-load stresses, they are detrimental; if they subtract from the service-load stresses they are beneficial.

ABAQUS建模如何施加预应力

本文参考了百度文库中的文章：

/link?url=dt_VLOGCUf8hUo7A9THhyv7BuSHry71EbLVtBtkWpoiYtkmLxbfk0Io63jsygs6vWbFU7x22HHFv8pIGgPMYkv1lyFXWbgPJqvCodSioUqa

关键字格式：

“*initial conditions, type=stress, input=bb.dat”

上面的关键字，即绿色部分，全部插于*STEP语句之前（如下图），两语句之间不能有空格。施加预应力场只是initial conditions关键字的一个应用，详见abaqus6.8帮助文档，《ABAQUS Analysis User’s Manual》的第28.2节“initial conditions”。

实例：点焊所产生的焊点中存在着残余应力，本文就是教大家如何完成焊点残余应力的模拟。 原理说明：先在模型上施加一个任意载荷（记为状态1），可得出此载荷作用下模型上的等效节点载荷，然后通过keywords让这个等效节点载荷作用于模型上，使它与之前施加在模型上的载荷相平衡，便得到了一个位移为0的初始状态（记为状态2），该状态下，模型中含有的应力场与状态1相

附录

Residual Stresses

A residual stress is one that exists without external loading or internal

temperature differences on a structure or machine. It is usually a result of manufacturing or assembling operations. Sometimes it is called initial stress, and the operations, prestressing. When the structure or machine is put into service, the service loads superimpose stresses. If the residual stresses add to the service-load stresses, they are detrimental; if they subtract from the service-load stresses they are beneficial.

数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义

贵所-材料学 李泽丽-20121005

纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的广泛关注，例如高的强度、硬度、耐磨性、延展性以及低温超塑性等。纳米材料之所以表现出这些特殊的性能与材料内部结构和变形机制密切相关。

纳米压痕技术是一种相对简单有效地评估薄膜材料力学性能的方法，通过纳米压痕实验不仅可以获得材料的相关性能参量，而且能够反映材料弹塑性转变的机制，揭示微观组织结构与宏观力学性能的关系。然而，纳米压痕是一个复杂的接触问题，进行纳米压痕试验时受到诸多因素的影响，例如材料表面粗糙度，衬底效应，晶界效应，压头几何形状，晶格各项异性和压痕尺寸效应等，即便是在相同的设备和试验条件下纳米压痕试验过程的重复性也不能得到保证，因此需要采用数值模拟方法对纳米压痕过程进行研究。

计算机数值模拟是独立于理论分析和实验研究的第三种手段，是沟通理论和实验的桥梁。与实验研究相比，数值模拟可实现在实验上很难或根本无法完成的研究；与理论研究相比，数值模拟无需过于简化的假设，能够接近实际的复杂情况，获得实验无法测量的结果，并深入揭示它们的内在行为机制。目前，研究材料纳米压痕的常用数值模拟方法主要有三种:有限元 (Finiteelemen

2 结构材料中的残余应力

2.1 残余应力的定义

通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并保持自身平衡的应力叫做内应力 [3] 。依据德国学者E. Macherauch于1973年提出的分类方法 ，内应力可以分为以下三类：

第I类内应力（?rI）在较大的材料区域（多个晶粒范围）内几乎是均匀的。 第II类内应力（?rII）在材料较小范围（一个晶粒或晶粒内的区域）内近乎均匀。

第III类内应力（?rIII）在极小的材料区域（几个原子间距）内也是不均匀的。 图1.1给出了按上述方法分类的一种单相多晶体材料中的三类应力的物理模型 [5]。图中（x, y）处的重的内应力在y方向的分量?rT,y在数值上可用下式表述：

?r,y(x,y)??r(x,y)??r(x,y)??rTIIIIII

(x,y) (1.1)

其中 ?rI?(??df/?df)多个晶粒 (1.2) ?rII?(??df/?df)一个晶粒－?rI (1.3)

T?rIII＝（?r,y－?rI－?rII）在（x,y）点上

模拟 ,ABAQUS , 论文 , 淬火

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计算机应用!!

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