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深度—传感压痕(DSI)技术及其在疲劳细观力学分析中的应用

李茂云  
【摘要】: 近年来,深度-传感压痕(depth-sensing indentation,DSI)技术在研究微小尺度材料力学性质方面已呈现出广阔的应用前景。本论文主要围绕DSI测试中的载荷-压入深度曲线有限元数值模拟、基于DSI技术确定材料力学性质的基本方法以及DSI技术在多晶体疲劳细观力学分析中的应用等问题开展了初步研究工作。 首先,简要回顾了国内外关于深度-传感压痕技术测试力学参量的主要研究工作与成果,包括:载荷-压入深度(F-h)曲线的描述方法、压头接触面积计算公式以及基于F-h曲线确定力学性质(硬度、弹性模量、屈服应力、应变硬化指数合塑性功等)的三种代表性近似方法等,并对此进行了适当的评述。 应用通用有限元软件(ABAQUS),分别采用三维模型和二维轴对称模型数值模拟了Berkovich压头的载荷-压入深度(F-h)曲线。并根据两种模型下F-h曲线基本重合得出:可以用70.3°顶点夹角圆锥压头等效模拟Berkovich压头压入过程。据此,进一步采用二维轴对称模型模拟了18Cr-8Ni不锈钢的载荷-压入深度曲线,并通过与试验结果进行比较后得出:有限单元数值模拟能够较好地再现压入试验的加载/卸载过程。通过对28种具有不同弹塑性特性的材料进行有限元数值模拟得出:当被压材料弹性模量和屈服应力不变时,随着应变硬化指数增大载荷-压入深度曲线加载部分的斜率有增大趋势;压痕的凸起和凹陷效应由(σ_y/E和n共同决定;相同弹性模量和屈服应力下,应变硬化指数越大,被压材料塑性区越大;在深度尺寸方向被压材料塑性区域随着应变硬化指数增大呈现逐渐增大趋势;在压头附近表面,不同应变硬化指数的塑性区有交汇现象发生,产生交汇区域的主要原因是被压材料发生了凸起和凹陷效应。 应用深度-传感压痕技术测定了低周疲劳不同应变幅下18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的细观结构F-h曲线。并采用基于F-h曲线确定力学性质的三种代表性近似方法分别计算获得了晶粒尺度(细观)上材料的硬度、弹性模量、屈服应力、应变硬化指数和塑性功等力学特性随作用应变幅的变化规律。结果表明:随着应变幅的增大,材料细观结构的硬度、弹性模量、屈服应力和应变硬化指数均呈现增加现象,而压入塑性功则表现为减小特征。在三种近似方法中,T.A.Venkatesh法计算确定的细观力学特性(如硬度和屈服应力)与宏观拉伸试验结果吻合较好,计算确定的弹性模量比其它两种方法更接近实测值,而且,该方法计算结果稳定。 应用Taylor基于位错机制的加工硬化理论结合低周疲劳材料的显微结构观察,对试验结果进行了初步讨论。 本论文的研究工作为进一步开拓深度-传感压痕(DSI)技术在多晶体疲劳细观力学中的应用提供了初步的数值模拟与实验工作。


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