深度-傳感壓痕（DSI）技術及其在疲勞細觀力學分析中的應用.pdf

1、近年來，深度-傳感壓痕(depth-sensing indentation，DSI)技術在研究微小尺度材料力學性質(zhì)方面已呈現(xiàn)出廣闊的應用前景。本論文主要圍繞DSI測試中的載荷．壓入深度曲線有限元數(shù)值模擬、基于DSI技術確定材料力學性質(zhì)的基本方法以及DSI技術在多晶體疲勞細觀力學分析中的應用等問題開展了初步研究工作。 首先，簡要回顧了國內(nèi)外關于深度-傳感壓痕技術測試力學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、壓頭接觸面積計算公式以及基于F-h曲線確定力學性質(zhì)(硬度、彈性模量、屈服應力、應變硬化指數(shù)合塑性功等)的三種代表性近似方法等，并對此進行了適當?shù)脑u述。 應用通用有限元軟件(ABAQUS)，分別采用三維模型和二維軸對稱模型數(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°頂點夾角圓錐壓頭等效模擬Berkovich壓頭壓入過程。據(jù)此，進一步采用二維軸對稱

3、模型模擬了18Cr-8Ni不銹鋼的載荷-壓入深度曲線，并通過與試驗結(jié)果進行比較后得出：有限單元數(shù)值模擬能夠較好地再現(xiàn)壓入試驗的加載/卸載過程。通過對28種具有不同彈塑性特性的材料進行有限元數(shù)值模擬得出：當被壓材料彈性模量和屈服應力不變時，隨著應變硬化指數(shù)增大載荷-壓入深度曲線加載部分的斜率有增大趨勢；壓痕的凸起和凹陷效應由σ<,y>/E和n共同決定；相同彈性模量和屈服應力下，應變硬化指數(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)域隨著應變硬化指數(shù)增大呈現(xiàn)逐漸增大趨勢；在壓頭附近表面，不同應變硬化指數(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。 應用深度-傳感壓痕技術測定了低周疲勞不同應變幅下18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼的細觀結(jié)構(gòu)F-h曲線。并采用基于F-h曲線確定力學性質(zhì)的三種代表性近似方法分別計算獲得了晶粒尺度(細觀)上材料的硬度、彈性模量、屈服應力、應變硬化指數(shù)和塑性功等力學特性隨作用應變幅的變化規(guī)律。結(jié)果表明

5、：隨著應變幅的增大，材料細觀結(jié)構(gòu)的硬度、彈性模量、屈服應力和應變硬化指數(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法計算確定的細觀力學特性(如硬度和屈服應力)與宏觀拉伸試驗結(jié)果吻合較好，計算確定的彈性模量比其它兩種方法更接近實測值，而且，該方法計算結(jié)果穩(wěn)定。 應用Taylor基于位錯機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，對試驗結(jié)果進行了初步討論。 本論文的研究工