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纳米压痕法表征韧性基底上韧性膜的力学性能

作　者: 廖艳果
导　师: 周益春
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 纳米压入法 加卸载 量纲分析 电化学沉积 有限元数值分析 功能梯度薄膜 过渡层
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 271次
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内容摘要


随着科学技术的发展,薄膜和涂层材料的应用越来越广泛。薄膜材料的力学性能影响着它的使用和寿命,因而确定它的力学性能是至关重要的。纳米压入法是测量薄膜力学性能的重要方法之一,由于它具有高的位移分辨率,超低载荷及连续测量的优点而受到重视。本文运用量纲分析结合有限元数值模拟的方法建立了压入过程中的加卸载响应和韧性膜/韧性基底上的力学参量之间的函数关系并用实验进行了验证。本文首先介绍了本课题的研究历史背景和研究现状,对测量薄膜材料力学性能的方法进行了简单的介绍,并对压入法测量材料力学性能做了较为详细的叙述。然后本人归纳了各向同性的韧性薄膜/韧性基底、功能梯度薄膜/韧性基底和有过渡层的韧性薄膜/韧性基底体系三大类组合的韧性膜/韧性基底材料力学性能的理论框架:运用量纲分析的方法得到了纳米压痕过程响应与韧性膜/韧性基底材料体系的力学参量之间的无量纲方程。本文利用有限元数值分析的方法对各向同性的韧性膜/韧性基底材料体系的Berkovich压头的压入过程进行了大量的数值模拟和计算,得出了各向同性的韧性膜/韧性基底的力学参量和压入响应之间的半定量函数关系。在此基础上,根据压痕实验的加卸载参数,得到了电化学沉积在低碳钢基底上1.7、2.5、4.0μm厚Ni膜的弹性模量、屈服强度和硬化指数,结果表明Ni膜的屈服强度比其块体材料高出许多,并且随着膜厚减少,屈服强度增大。为对Berkovich压头连续压入测定结果进行验证,用分离拉伸法同样获得电化学沉积在低碳钢上1.7、2.5、4.0微米Ni膜的应力应变曲线,与纳米压痕法的结果进行了比较,两者基本相符。最后,我们利用有限元数值模拟结合前面建立的无量纲方程建立由压入的加卸载曲线来表征韧性基底上的FGM薄膜和有过渡层的韧性膜应力应变关系的模型。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 引言  8-17
  1.1 薄膜材料  8-9
  1.2 薄膜和涂层材料力学性能的测试方法  9
  1.3 微/纳米压入法的研究和发展  9-15
    1.3.1 压入实验技术发展的简要历史回顾  9-10
    1.3.2 压痕法的实验测量  10-14
    1.3.3 压痕的数值方法  14-15
  1.4 本文的选题依据和研究的主要内容  15-17
    1.4.1 本文的研究背景和选题依据  16
    1.4.2 本文研究的主要的内容  16-17
第二章 压入问题的量纲分析  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 量纲分析的基本理论  17-19
    2.2.1 与量纲分析有关的基本概念  17
    2.2.2 Π定理  17-19
  2.3 锥形压头压入韧性膜/韧性基底材料的量纲分析  19-25
    2.3.1 各向均匀的韧性薄膜/韧性基底体系  19-22
    2.3.2 功能梯度韧性薄膜/韧性基底体系  22-24
    2.3.3 有过渡层的韧性薄膜/韧性基底体系  24-25
  2.4 压痕法表征双韧体系力学性能的正逆推过程  25-28
    2.4.1 各向同性的双韧体系  25-26
    2.4.2 功能梯度韧性薄膜/韧性基底体系  26-27
    2.4.3 有过渡层的韧性薄膜/韧性基底体系  27-28
  2.5 小结  28-29
第三章 压痕法表征各向同性韧性薄膜的应力应变关系  29-44
  3.1 ABAQUS简介  29-31
  3.2 有限元数值模拟  31-33
  3.3 压入深度与薄膜厚度比值固定的情况  33-41
    3.3.1 顺推过程  33-38
    3.3.2 逆推过程  38-41
  3.4 压入深度与薄膜厚度比值不固定的情况  41-43
  3.5 小结  43-44
第四章 纳米压痕及单轴拉伸实验  44-49
  4.1 实验样品的制备  44-45
  4.2 纳米压痕实验  45-46
  4.3 单轴拉伸实验  46-47
  4.4 单轴拉伸法和纳迷压痕法的对比  47-48
  4.5 小结  48-49
第五章 压痕法表征FGM薄膜的应力应变关系  49-55
  5.1 功能梯度材料简介  49-50
  5.2 韧性基底上功能梯度膜  50-51
  5.3 有限元数值模拟  51-52
  5.4 数值模拟的结果  52-54
  5.5 小结  54-55
第六章 压痕法表征有过渡层韧性膜的应力应变关系  55-59
  6.1 过渡层的概念  55
  6.2 有限元模型  55-57
  6.3 有限元计算和公式的拟合  57-58
  6.4 小结  58-59
总结和展望  59-60
  总结  59
  展望  59-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
附录A (硕士期间已公开发表的论文)  64

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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