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受离子辐照材料的纳米压痕研究

肖厦子  余龙  陈李嵘  段慧玲  
【摘要】:结合离子辐照实验和纳米压痕测量方法是目前研究金属材料辐照效应机理的有效手段之一。根据辐照方向和加载方向之间的空间关系,受离子辐照材料的纳米压痕研究主要可分为表面纳米压痕和横截面纳米压痕两种,其中,表面纳米压痕与横截面纳米压痕分别指加载方向与辐照方向平行和垂直的情况。本文针对这两种加载方式,分别提出了硬度随压头空间位置变化的理论模型以及基于晶体塑形有限元模拟的数值模拟体系。在理论模型中,我们考虑了辐照缺陷的非均匀分布、纳米压痕尺寸效应以及未辐照基底软化效应的影响,能够有效描述硬度随压头在不同空间位置的变化情况。通过与多组实验数据进行比对,该模型的准确性和合理性得到了有效的验证。在数值模拟体系中,我们基于传统的晶体塑形理论,考虑了非均匀分布的缺陷以及几何必须位错密度的影响,建立了考虑辐照硬化效应和纳米压痕尺寸效应的晶体塑形模型。通过UMAT将该模型导入ABAQUS,分别模拟了表面纳米压痕与横截面纳米压痕的过程,其数值结果分别与铜和304不锈钢的实验数据进行了比较,其中,力-位移曲线和硬度-位移曲线皆与实验数据吻合较好。在此基础上,我们系统分析了不同硬化机理在加载过程中对材料硬化表征的贡献,这为理解材料在纳米压痕情况下的辐照硬化行为和尺寸效应具有重要的意义。

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