深度-傳感壓痕（DSI）技術(shù)及其在疲勞細(xì)觀力學(xué)分析中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，深度-傳感壓痕(depth-sensing indentation，DSI)技術(shù)在研究微小尺度材料力學(xué)性質(zhì)方面已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本論文主要圍繞DSI測(cè)試中的載荷．壓入深度曲線有限元數(shù)值模擬、基于DSI技術(shù)確定材料力學(xué)性質(zhì)的基本方法以及DSI技術(shù)在多晶體疲勞細(xì)觀力學(xué)分析中的應(yīng)用等問(wèn)題開(kāi)展了初步研究工作。 首先，簡(jiǎn)要回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于深度-傳感壓痕技術(shù)測(cè)試力學(xué)參量的主要研究工作與成果，包括：載荷-壓入深度(F-h)曲線的

2、描述方法、壓頭接觸面積計(jì)算公式以及基于F-h曲線確定力學(xué)性質(zhì)(硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力、應(yīng)變硬化指數(shù)合塑性功等)的三種代表性近似方法等，并對(duì)此進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑u(píng)述。 應(yīng)用通用有限元軟件(ABAQUS)，分別采用三維模型和二維軸對(duì)稱(chēng)模型數(shù)值模擬了Berkovich壓頭的載荷-壓入深度(F-h)曲線。并根據(jù)兩種模型下F-h曲線基本重合得出：可以用70.3°頂點(diǎn)夾角圓錐壓頭等效模擬Berkovich壓頭壓入過(guò)程。據(jù)此，進(jìn)一步采用二維軸對(duì)稱(chēng)

3、模型模擬了18Cr-8Ni不銹鋼的載荷-壓入深度曲線，并通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較后得出：有限單元數(shù)值模擬能夠較好地再現(xiàn)壓入試驗(yàn)的加載/卸載過(guò)程。通過(guò)對(duì)28種具有不同彈塑性特性的材料進(jìn)行有限元數(shù)值模擬得出：當(dāng)被壓材料彈性模量和屈服應(yīng)力不變時(shí)，隨著應(yīng)變硬化指數(shù)增大載荷-壓入深度曲線加載部分的斜率有增大趨勢(shì)；壓痕的凸起和凹陷效應(yīng)由σ<,y>/E和n共同決定；相同彈性模量和屈服應(yīng)力下，應(yīng)變硬化指數(shù)越大，被壓材料塑性區(qū)越大：在深度尺寸方向被壓材料塑

4、性區(qū)域隨著應(yīng)變硬化指數(shù)增大呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)；在壓頭附近表面，不同應(yīng)變硬化指數(shù)的塑性區(qū)有交匯現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生交匯區(qū)域的主要原因是被壓材料發(fā)生了凸起和凹陷效應(yīng)。 應(yīng)用深度-傳感壓痕技術(shù)測(cè)定了低周疲勞不同應(yīng)變幅下18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼的細(xì)觀結(jié)構(gòu)F-h曲線。并采用基于F-h曲線確定力學(xué)性質(zhì)的三種代表性近似方法分別計(jì)算獲得了晶粒尺度(細(xì)觀)上材料的硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力、應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性功等力學(xué)特性隨作用應(yīng)變幅的變化規(guī)律。結(jié)果表明

5、：隨著應(yīng)變幅的增大，材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化指數(shù)均呈現(xiàn)增加現(xiàn)象，而壓入塑性功則表現(xiàn)為減小特征。在三種近似方法中，T.A.Venkatesh法計(jì)算確定的細(xì)觀力學(xué)特性(如硬度和屈服應(yīng)力)與宏觀拉伸試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，計(jì)算確定的彈性模量比其它兩種方法更接近實(shí)測(cè)值，而且，該方法計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。 應(yīng)用Taylor基于位錯(cuò)機(jī)制的加工硬化理論結(jié)合低周疲勞材料的顯微結(jié)構(gòu)觀察，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步討論。 本論文的研究工