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材料微纳米尺度压痕硬度检测的仿真研究

作　者: 刘亚龙
导　师: 周亮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 压痕实验硬度测试有限元仿真压痕功法
分类号: TB302
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 235次
引　用: 2次
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内容摘要

伴随着微纳米加工技术的发展和微小零部件的应用,微小零件表面力学性能的检测与评价技术已成为微小零部件制造过程中的关键。在材料微纳米级表层质量的检测中,硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段,但传统的硬度测量由于受到测试系统分辨率的限制,已不能满足要求,纳米压痕技术应运而生。由于在微纳米尺度下,测量得到的载荷-压深曲线受到压头形状、材料本身性能不均匀性、测试系统误差等因素的影响,无法正确评价和计算得到材料的真实硬度值。采用仿真分析压痕过程,可以忽略在实验中无法消除的影响因素,为找到影响硬度计算、造成硬度压痕尺寸效应的根源提供重要的依据。因此,对微纳米表层硬度检测与评价技术进行研究具有重要的理论价值和现实意义。通过分析压痕硬度测试过程,对压痕有限元仿真过程进行设计并建立有限元仿真模型,设置材料属性对纯铝塑性特性进行拟合,根据真实压痕实验设定边界条件和施加载荷,实现对压痕过程的有限元仿真;利用有限元仿真后处理和对ABAQUS二次开发,输出压痕过程载荷-压深曲线和压痕仿真表面数据,为各硬度计算方法的应用提供基础。针对不同压痕硬度计算方法的理论研究,基于有限元仿真压痕实验,实现了运用Oliver-Pharr方法和通过压痕面积、压痕体积计算压痕硬度值;对不同压深下各个计算方法得到的硬度值进行分析,有限元仿真压痕实验和真实压痕实验硬度计算值结果一致,证明了有限元仿真压痕过程合理性;分析得出,由于压痕凸起的存在,导致Oliver-Pharr法计算得到的硬度值偏大,直接面积法和体积硬度法更接近真实硬度值,体积硬度法更平稳。对压头圆弧半径、压头与基体摩擦系数以及压头垂直度等影响因素在有限元仿真压痕基础上展开研究,结果表明,体积硬度计算法得到的硬度值变化最平缓,可以忽略压头针尖钝化、压头与试件表面不垂直、弹性恢复、压痕材料凸起和凹陷等因素对硬度计算的影响。展开压头圆弧半径对硬度影响的理论分析,通过有限元仿真压痕过程加以验证,仿真结果和理论分析结果吻合;采用减小基体模型、细化网格可以提高小压深时仿真硬度计算精度;通过对有限元仿真压痕模型边界条件重新设定,可以减小各硬度计算方法较大压深误差。

材料微纳米尺度压痕硬度检测的仿真研究

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