采用有限元方法研究Ti-Si-N超硬納米復(fù)合表面的力學(xué)性能.pdf

1、本課題是國家自然科學(xué)基金項目(50845065)、內(nèi)蒙古教育科研基金項目(NJ06077)和內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2009MS0812)的一部分。主要目的是通過有限元(FEM)仿真納米壓痕測量過程來了解Ti-Si-N超硬納米復(fù)合表面的力學(xué)性能，包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服極限等。在此研究過程中，提出了一種通過有限元仿真確認(rèn)材料屈服極限的方法。采用該方法研究了TiN和Ti-Si-N的力學(xué)性能。
　　 在此研究項目中，我們采用了ABA

2、QUS有限元軟件對TiN和Ti-Si-N表面的納米壓痕測量過程進(jìn)行了仿真，對測量得到的載荷-位移曲線進(jìn)行了擬合，擬合過程包括以下幾個步驟：
　　 (1)從測量得到的載荷-位移實驗曲線中提取對應(yīng)數(shù)據(jù)；
　　 (2)通過計算獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；
　　 (3)有限元仿真模型的建立：幾何模型包括壓頭和被測材料，壓頭使用的是和實驗相對應(yīng)的Berkovich壓頭，材料是TiN和Ti-Si-N;把計算得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)

3、作為材料的性質(zhì)輸入有限元仿真程序中；定義載荷步和施加邊界條件，進(jìn)行求解；
　　 (4)采用不同的屈服極限進(jìn)行有限元仿真，從仿真結(jié)果中找出與測量結(jié)果相近似的載荷-位移曲線，從而確定屈服極限值；
　　 (5)采用所確定的屈服極限和不同的應(yīng)變值，再進(jìn)行有限元仿真，進(jìn)一步擬合測量結(jié)果，最終確定適當(dāng)?shù)膽?yīng)變值。
　　 采用以上方法在對TiN和Ti-Si-N的有限元仿真中，擬合測量曲線，取得了比較好的結(jié)果。
　　 在完

4、成方法開發(fā)后，通過對比分析TiN表面和Ti-Si-N納米復(fù)合表面的應(yīng)力-應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變曲線和硬度計算，最終確定TiN的屈服極限約是12GPa,而Ti-Si-N的屈服極限高達(dá)24GPa。由此可以得出結(jié)論：Ti-Si-N納米復(fù)合表面的強度明顯優(yōu)于TiN表面。
　　 研究結(jié)果表明，采用納米壓痕法測量實驗只能得到關(guān)于材料彈性性質(zhì)的一些參數(shù)，而通過有限元仿真去擬合納米壓痕測量的載荷-位移曲線可以得到材料的塑性性質(zhì)（應(yīng)力-應(yīng)變和屈服極限