微/纳米力学测试技术 仪器化压入的测量、分析、应用及其标准化PDF|Epub|txt|kindle电子书版本下载

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第一篇 绪论3

第1章 材料力学性能及其表征3

1.1 材料力学性能的基本参量3

1.1.1 金属材料的弹塑性参量和蠕变参量3

1.1.2 陶瓷材料的断裂参量4

1.1.3 高聚物材料的黏弹参量5

1.2 材料压入的功能指标和力学响应6

1.2.1 硬度6

1.2.2 力学响应7

参考文献10

第2章 力学测试技术12

2.1 力学量的分类12

2.2 典型仪器设备13

2.2.1 传统材料试验机13

2.2.2 传统硬度计13

2.2.3 仪器化压入仪15

2.3 对比分析16

2.3.1 传统材料试验机和传统硬度计16

2.3.2 纳米压入仪和显微硬度计16

2.3.3 压入仪和传统材料试验机17

2.3.4 仪器设备的综合对比17

2.3.5 维氏硬度和压入硬度20

2.4 压入技术的发展、特点和要求21

2.4.1 仪器化压入技术的发展21

2.4.2 纳米压入技术的特点22

2.4.3 仪器化压入技术的内容和要求23

参考文献24

第二篇压入测量29

第3章 测量原理29

3.1 纳米压入仪的基本结构29

3.2 纳米压入仪的力学响应30

3.2.1 系统响应的力学模型30

3.2.2 载荷-深度曲线的测量32

3.3 测量参量33

3.3.1 压入载荷和深度33

3.3.2 压入总功和卸载功33

3.3.3 接触刚度34

3.3.4 马氏硬度34

3.3.5 压入蠕变率35

3.3.6 压入松弛率35

3.4 连续刚度测量36

参考文献38

第4章 测量仪器39

4.1 压入仪器的分类和发展39

4.1.1 纳米压入仪39

4.1.2 宏观压入仪40

4.1.3 仪器设计的基本要素40

4.1.4 测量仪器的发展趋势42

4.2 压头的结构、类型和选取43

4.2.1 压头结构43

4.2.2 维氏压头44

4.2.3 玻氏压头45

4.2.4 立方角压头46

4.2.5 努氏压头47

4.2.6 圆锥压头47

4.2.7 球形压头48

4.2.8 楔形压头48

4.2.9 压头选取的考虑因素49

4.3 开发材料试验机宏观压入功能的实例50

4.3.1 测量系统的设计50

4.3.2 仪器的校准和检验51

4.3.3 试验结果和校核53

参考文献55

第5章 校准检验57

5.1 直接校准和检验57

5.1.1 载荷测量装置校准57

5.1.2 位移测量装置校准57

5.1.3 压头的要求和检验58

5.1.4 仪器柔度校准58

5.1.5 压头面积函数校准61

5.1.6 仪器状态检验66

5.2 间接检验66

5.2.1 仪器重复性66

5.2.2 仪器误差67

5.3 常规检查67

5.4 参考样品67

5.4.1 材料选择68

5.4.2 样品加工68

5.5 纳米压入仪测试和校准的实例69

参考文献74

第6章 测量环节75

6.1 试验准备75

6.1.1 试样尺寸75

6.1.2 表面加工75

6.1.3 试样安装76

6.1.4 压头检查76

6.2 环境控制76

6.2.1 温度波动76

6.2.2 地表振动77

6.3 表面探测77

6.4 驱动选择78

6.5 参数设定79

6.5.1 测试数量79

6.5.2 压入间距80

6.5.3 压入深度80

6.5.4 泊松比选择80

6.6 数据处理81

6.7 测试流程81

参考文献82

第7章 影响因素84

7.1 测量仪器的影响84

7.1.1 压头钝化84

7.1.2 接触零点确定90

7.1.3 测量分辨能力92

7.2 试样表面的影响94

7.2.1 表面粗糙度94

7.2.2 抛光工艺95

7.2.3 压入凹陷和凸起变形96

7.2.4 表面吸湿99

7.3 测试环境的影响99

7.4 压入位置的影响101

7.4.1 压入影响区的有限元模拟101

7.4.2 边界距离影响的有限元模拟103

7.4.3 压入间距影响的实验验证104

7.5 纳米压入技术面临的问题105

参考文献107

第三篇方法分析111

第8章 分析原理111

8.1 压入问题的基本假设111

8.2 分析模型和适用范围112

8.2.1 自相似理论112

8.2.2 弹性压入变形场的基本关系114

8.2.3 弹塑性压入变形场的基本关系115

8.2.4 特征应变关系116

8.2.5 适用范围118

参考文献118

第9章 压入能量标度关系120

9.1 压入能量标度关系的发现120

9.2 压入能量标度关系的实验验证122

9.3 压入能量标度关系的理论推导123

9.3.1 球对称假设下基本方程的化简和求解123

9.3.2 线弹性和理想弹塑性材料的压入能量标度关系127

9.3.3 可压缩硬化材料的压入能量标度关系129

9.4 ISO14577-1:2002中压入功定义的误导132

9.5 特征应变的物理含义134

参考文献135

第10章 压入硬度和弹性模量137

10.1 三种典型的分析方法137

10.1.1 接触刚度-接触深度方法137

10.1.2 压入能量-接触刚度方法143

10.1.3 纯压入能量方法144

10.2 三种分析方法的对比145

10.2.1 有限元模拟评估分析方法的准确性145

10.2.2 误差分析探讨分析方法的稳定性150

10.2.3 传统实验和压入实验的对比确认151

10.2.4 三种分析方法的特点及其与测试方法的关系156

参考文献157

第11章 屈服应变和幂硬化指数160

11.1 研究现状160

11.1.1 研究进展160

11.1.2 发展动态162

11.2 压入能量测试方法163

11.2.1 分析参量的选取164

11.2.2 压入总功与识别参量关系的建立167

11.2.3 Meyer系数与识别参量关系的建立171

11.2.4 分析方法的建立和实施流程173

11.2.5 方法准确性和稳定性的数值检验174

11.2.6 方法可靠性的实验验证178

参考文献189

第12章 断裂韧度192

12.1 研究现状192

12.1.1 典型测试方法192

12.1.2 测试的合理性198

12.1.3 发展动态198

12.2 断裂韧度的压入能量测试方法199

12.2.1 测试原理199

12.2.2 能量标度关系的验证201

12.2.3 开裂的影响203

12.2.4 计算表达式的校准206

12.2.5 测试有效性的确认207

12.2.6 有效实验数据的判据207

12.2.7 能量测试方法的特点211

参考文献212

第13章 蠕变柔量215

13.1 研究现状215

13.1.1 线黏弹接触理论215

13.1.2 现有压入测试方法217

13.2 适用于卸载段的测试方法218

13.2.1 拓宽Lee-Radok解的适用范围218

13.2.2 三种蠕变柔量测试方法222

13.3 线黏弹塑压入测试方法225

13.3.1 修正的阶跃载荷方法226

13.3.2 新方法的试验验证227

参考文献230

第四篇典型应用235

第14章 测试功能235

14.1 压入方式235

14.1.1 块体材料的压入硬度和模量235

14.1.2 薄膜材料的压入硬度和模量236

14.1.3 塑性参数240

14.1.4 断裂参数242

14.1.5 高聚物的黏弹参数242

14.1.6 金属材料的蠕变参数243

14.1.7 典型材料加卸载曲线涉及的部分现象244

14.2 划入方式250

14.2.1 块体材料的划入变形和摩擦系数251

14.2.2 薄膜材料的临界附着力和摩擦系数252

14.2.3 试样表面的粗糙度253

14.3 弯曲方式253

14.3.1 微悬臂梁静载弯曲254

14.3.2 微桥静载弯曲255

14.3.3 微悬臂梁动载弯曲255

14.4 压缩方式256

14.5 吸附方式257

14.6 监测技术——声发射测量257

14.7 环境因素——温度控制258

参考文献258

第15章 表面工程Ⅰ——纳米薄膜262

15.1 不同基材DLC薄膜的纳米力学行为262

15.1.1 薄膜制备和测试方法263

15.1.2 纳米压入测试结果与分析263

15.1.3 纳米划入测试结果与分析266

15.2 不同基材对TiN薄膜纳米力学行为的影响269

15.2.1 纳米压入测试结果与分析269

15.2.2 纳米划入测试结果与分析270

15.3 典型膜基组合对薄膜力学行为的影响274

15.3.1 膜材不同274

15.3.2 基材不同275

15.3.3 工艺不同277

参考文献277

第16章 表面工程Ⅱ——涂层和激光强化278

16.1 激光熔覆医用涂层的力学性能评定278

16.1.1 实验准备278

16.1.2 成分分析和显微观察279

16.1.3 纳米压入测试及其分析281

16.1.4 纳米划入测试及其分析282

16.2 激光强化球墨铸铁的力学性能评定285

16.2.1 实验准备285

16.2.2 纳米压入测试及其分析285

参考文献290

第17章 先进材料——非晶合金291

17.1 不同非晶合金体系的压入变形行为291

17.1.1 试样制备及其热学性质291

17.1.2 显微压入的塑性变形行为292

17.1.3 宏观压入的塑性变形行为297

17.2 钕基非晶合金组分对压入变形行为的影响305

17.2.1 试样制备及其物理性能305

17.2.2 力学测试及其结果讨论307

17.3 锆基非晶合金的压入变形行为310

17.3.1 两种典型锆基非晶合金变形行为的对比310

17.3.2 预变形和退火对锆基非晶合金变形行为的影响313

参考文献315

第18章 生物材料——人体牙齿和木材细胞壁318

18.1 人体牙齿的力学性能318

18.1.1 试样制备和测试方法318

18.1.2 牙齿力学性能的空间取向318

18.1.3 牙釉质力学性能的梯度分布320

18.1.4 牙齿力学行为的类金属性322

18.2 林杉木管胞细胞壁的力学性能323

18.2.1 试样制备和测试方法323

18.2.2 纳米压入测试及其结果分析324

参考文献327

第19章 微机电系统——薄膜和微桥329

19.1 不同工艺制备的二氧化硅薄膜329

19.2 微桥的弯曲测量及其分析332

19.2.1 铜微桥的弹性模量和残余应力332

19.2.2 二氧化硅微桥的弯曲断裂334

参考文献335

第五篇标准化339

第20章 实验室间比对试验339

20.1 组织和实施339

20.1.1 组织策划339

20.1.2 试验方案340

20.2 比对试验的结果341

20.2.1 压入深度1200nm的比对结果341

20.2.2 压入深度200nm的比对结果346

参考文献351

第21章 标准化进展352

21.1 标准文本352

21.1.1 国际标准352

21.1.2 美国标准353

21.1.3 中国标准353

21.1.4 标准对比354

21.2 标准样品356

21.2.1 压入标准样品的作用356

21.2.2 标准样品的统一和系列化356

21.2.3 国家标准样品的研制进展356

参考文献359

附录A 术语汉英对照及其定义360

附录B 常用符号表369

索引371