材料表面两层薄膜硬度的测试计算

给出了基于纳米硬度试验的二层薄膜的硬度测算方法。首先利用有限元方法探讨了二层薄膜一基体材料系统的硬度随压痕深度变化的规律，进而推导和验证了材料系统硬度一位移曲线的拟合公式，最后给出了以压痕实验为基础的二层薄膜材料硬度的计算公式。     

表层材料硬度检测及结果的对比分析

针对表层材料硬度检测中常用的几种显微硬度仪以及近年来发展的同乡会米压痕技术，对比分析了各种硬度仪的特点及其使用范围，着重指出了显微硬度仪与纳米压痕仪的定义在物理本质上的差别。最后针对最常用的维氏显微硬仪与目前先进的纳米压痕技术，利用有限元数值模拟并结合纳米压痕实验数据，给出了两种硬度值在数量上的关系。     

单晶铝纳米级硬度试验研究

使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕试验，利用原子力显微镜对压痕形貌进行扫描并计算硬度值，重点观察和分析了纳米级条件下单晶铝的硬度性质，结果表明，当压痕深度小于2000nm时，单晶铝纳米硬度存在尺寸效应现象；从材料性质的角度分析了纳米硬度尺寸效应现象；探讨了纳米硬度和传统硬度本质上的区别，指出其根本原因在于不同尺度下人们对材料性质的关注点不同。     

纳米级显微硬度试验研究

阐述了一种纳米尺度下测试材料显微硬度的试验方法——深度硬度试验法。并研制了深度硬度试验装置，采用压电陶瓷传感器实现微位移和激光测试超低载荷，该试验装置分辨率高，可以实现纳米级压痕的显微硬度测试。     

纳米压痕实验微米级深度硬度下降现象的研究(英文)

本文针对均匀材料微米级压痕深度,分析接触深度、接触面积、载荷以及加载时间几种因素对实验数据的影响,结合有限元数值模拟,说明压头几何缺陷、接触深度与接触面积的处理并不是造成微米级压痕硬度随压深增大而下降的主要原因,最可能的原因是材料的蠕变特性。进行了不同最大压深实验显示连续刚度法(CSM)将强化蠕变特性对硬度曲线的影响,证明造成该现象的重要原因是纳米压痕实验的实验方法问题。     

VC/Ni纳米叠层薄膜的制备及力学性能

采用中频脉冲磁控溅射双靶交替沉积,制备了调制周期为4nm,12nm和88nm的VC/Ni纳米叠层薄膜以及纯VC薄膜。利用XRD和SEM对薄膜结构进行分析,并通过纳米压痕和维氏压痕对薄膜的硬度、模量以及韧性进行了表征。结果表明:双靶交替沉积制备的VC/Ni纳米叠层薄膜界面清晰、薄膜生长比较致密;三种周期的叠层薄膜硬度均为20GPa,与纯VC薄膜相比韧性得到了明显的改善;随着调制周期的增加,发现VC/Ni纳米叠层薄膜的硬度先增大后减小,韧性先降低,后提高,存在一个性能转折的临界周期。     

单晶硅各向异性力学性能纳米压痕实验研究

应用纳米原位压痕仪对单晶硅(100),(110),(111)晶面进行纳米压痕实验,对材料的弹性模量和硬度进行考察。实验结果表明:单晶硅(111)晶面相对于其它两个晶面具有较小的弹性模量和硬度值。通过单晶硅不同晶面原子结构分析,认为晶面原子层的间距分布差异是各晶面弹性模量差异的主要原因。     

纳米压痕硬度计测方法的研究进展

针对纳米尺度下的材料硬度测量,利用纳米硬度计得到压痕的载荷-压深曲线,并用原子力显微镜得到压痕的三维形貌图.通过载荷-压深曲线和压痕形貌图,以及相应的计算方法,可以得到纳米压痕硬度.纳米压痕硬度计测方法不同,得到的材料硬度值也不同.分析现有的几种纳米压痕硬度计测方法,找出它们的优缺点,并对未来发展方向做了展望.     

喷丸对30CrMnSiNi2A合金钢表层组织性能的影响及其微观机理

使用气动式喷丸设备制备了30CrMnSiNi2A合金钢喷丸强化处理试样,并对试样表层的组织性能进行了综合分析。采用扫描电镜和透射电镜观察了试样表层的显微组织结构,利用纳米压痕仪和X射线应力仪测试了喷丸处理和未处理试样表层纳米显微硬度和残余应力沿厚度方向的分布。结果表明:未处理试样的组织主要为板条马氏体、少量的下贝氏体、孪晶及残余奥氏体,喷丸处理在试样表面形成了厚度约为30μm的致密塑性变形层,该层内晶粒平均直径约为46 nm,纳米显微硬度值达到6.8 GPa,加工硬化量提高了4.9%;同时,喷丸处理在试样表面引入了深度约为280μm的残余压应力层,最大值为-1050 MPa。最后,分析了喷丸处理晶粒细化机制及其对材料加工硬化和残余应力的影响。     

高能机械加工表面纳米化40Cr钢组织结构与力学性能

利用超声高能机械加工处理工艺在40Cr钢表面制备了纳米晶表面层。采用SEM,TEM和纳米压痕技术等分析了表面纳米晶层的组织结构与力学性能。实验结果表明,表面是由分布均匀的纳米级铁素体和纳米级渗碳体晶粒构成的复合纳米结构,过渡区由纳米级的渗碳体晶粒和粗晶铁素体晶粒构成。表面平均晶粒尺寸为3nm。随着深度的增加,晶粒尺寸逐渐增大。表面硬度高达8GPa,为基体硬度的3倍,随着深度的增加,硬度迅速降低。表面层弹性模量为252GPa,与基体十分接近。     

不同晶体取向单晶锗的力学性能

为了研究微纳米尺度下单晶锗的力学特性,采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)和(111)晶面进行了纳米压痕实验,并通过原子力显微镜对材料表面进行了观测。根据单晶锗各晶面的位移-载荷曲线,对单晶锗各晶面的弹性回复率、硬度、弹性模量与压入深度之间的关系进行了分析。结果表明:单晶锗在加载过程中分别经历了弹性变形、塑性变形和脆性变形三个阶段。当压入深度超过500 nm时,加载曲线上有突进点产生;当压入深度超过100 nm时,卸载曲线上有突退点产生。单晶锗的残余压痕形貌表现为凸起状,表明单晶锗具有较低的加工硬化趋势。当压入深度达到100 nm时,单晶锗表现出明显的尺寸效应,且单晶锗(111)晶面具有最低硬度和弹性模量值。表明相对于其他两个晶面,单晶锗(111)晶面具有更好的塑性变形能力。     

Mechanical properties study of particles reinforced aluminum matrix composites by micro-indentation experiments

By using instrumental micro-indentation technique, the microhardness and Young's modulus of SiC particles reinforced aluminum matrix composites were investigated with microcompression-tester(MCT). The micro-indentation experiments were performed with different maximum loads, and with three loading speeds of 2.231, 4.462 and 19.368 mN/s respectively. During the investigation, matrix, particle and interface were tested by micro-indentation experiments. The results exhibit that the variations of Young's modulus and microhardness at particle, matrix and interface were highly dependent on the loading conditions(maximum load and loading speed) and the locations of indentation. Micro-indentation hardness experiments of matrix show the indentation size effects, i.e. the indentation hardness decreased with the indentation depth increasing. During the analysis, the effect of loading conditions on Young's modulus and microhardness were explained. Besides, the elastic–plastic properties of matrix were analyzed. The validity of calculated results was identified by finite element simulation. And the simulation results had been preliminarily analyzed from statistical aspect.     

基于数字图像处理的布氏硬度压痕直径测量方法

在分析布氏硬度试验压痕图像的基础上,提出了基于数字图像处理的布氏硬度压痕直径测量方法.利用CCD相机获取压痕图像,通过图像分割、目标区域处理、压痕圆拟合等步骤完成图像处理,由此实现对压痕尺寸的自动精确测量.     

纳米力学探针的基本原理及其应用实例

介绍了一种新型的材料微区力学性能检测系统NanoIndenterII纳米显微力学探针。纳米显微力学探针是一个压入系统 ,其实验过程全部由计算机控制 ,压头的位移精度可达到 +/ - 0 .0 4nm ,因此可以研究材料的微区力学性能 ,它更适合于分析各种镀膜材料、离子注入材料、表面改性等材料的硬度分布及其弹性模量。它与显微硬度计的最大差别在于它能连续记录载荷 位移数据 ,通过载荷 位移数据计算材料微区的硬度和弹性模量 ,而不需要通过光学方法测定压痕面积 ,因此避免了测量和材料弹性恢复引入的误差。本文阐述了它的实验原理、硬度及弹性模量的计算方法并列举了它在材料科学中的应用     

材料特性对热障涂层合理压入深度的影响

基于有限元计算方法和量纲分析原理提出了热障涂层合理压入深度的确定方法,并研究了涂层及基体材料特性对合理压入深度的影响.首先,根据量纲分析原理提出了合理压入深度的无量纲表达式;其次基于锥形压头识别理想弹塑性材料的材料特性的方法,提出合理压入深度的确定方法;最后研究了各无量纲因素对合理压入深度的影响.研究发现基体的弹性模量对合理压入深度的影响最大,粘结层材料特性的影响较大,热氧化生成层的材料特性及基体的屈服极限对合理压入深度的影响不大.     

切削速度对单晶锗脆塑转变的影响

采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)(111)晶面进行了纳米划痕实验,分析不同划痕速度对单晶锗不同晶面脆塑转变临界状态变化规律的影响,采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测。结果表明:划痕速度增加,单晶锗产生塑性去除的区域增大;但划痕速度过大,就会降低单晶锗产生塑性去除的区域。预测了在超精密切削加工中切削速度对单晶锗发生脆塑转变时的临界状态的影响规律,为实际超精密切削加工单晶锗零件提供数据支持。     

Surface strengthening and grain refinement of AZ31B magnesium alloy by ultrasonic cavitation modification

Ultrasonic cavitation modification (UCM) employs cavitation effect to induce strong plastic deformation on the material surface and improve surface properties. To explore the surface strengthening and grain refinement of materials by UCM, the UCM orthogonal experiments of AZ31B magnesium alloy were carried out in water and kerosene, respectively. The effects of ultrasonic amplitude, distance from the sample, and processing time on Vickers hardness and grain size of the material were studied. The results showed that the Vickers hardness of samples increased to 1.5–3 times after UCM in water, which was 23.77–48.19% higher than that in kerosene. The metallographic observation indicated the grains on the surface of AZ31B were refined after UCM. The maximum fluctuation of grain size on the material surface was not more than 10 μm after UCM in water, and most of them were concentrated between 1.5 μm and 2.5 μm, while the former was more than 40 μm and the latter were concentrated between 2 μm and 10 μm in kerosene. This reflected that the grain refinement effect of UCM in water was better than that in kerosene. Ultrasonic cavitation can be used as a benign means to improve the surface properties of materials.