压头形状和表面梯度层对纳米硬度测量的影响

【摘要】：压入深度在100nm以下时,硬度规律出现尺寸效应,但很多实验结果[3][7-8]与现有的尺寸效应理论模型[6]不一致。在极浅压深下,材料表层性质和压头几何形状对压入的影响必须考虑。本文通过采用弹塑性梯度表层性质模型,同时考虑压头实际形状的情况,采用有限元,分析了材料表面效应和压头几何效应耦合作用对纳米压入的影响。分别模拟圆锥压头和球锥压头压入不同弹塑性梯度材料的情况,得到了各种情况下的纳米硬度变化规律。发现圆锥压入具有相似性,不同弹塑性性质下纳米硬度结果随压深呈现出单调的尺寸效应变化趋势;而尖端曲率的引入会使硬度尺寸效应规律发生改变,硬度会出现峰值,随压深变化先增大后减小;同时,表面梯度层变化程度和压头曲率半径大小会对峰值大小及位置产生影响;而所有的模拟结果都显示梯度表层存在一定影响深度范围,当压深大于5倍梯度层厚度时,梯度层对纳米硬度的影响可以忽略。这些结论从连续介质力学等效描述角度对纳米硬度实验规律做出了可能的预测分析。