采用有限元方法研究Ti-Si-N超硬纳米复合表面的力学性能

摘要

本课题是国家自然科学基金项目(50845065)、内蒙古教育科研基金项目(NJ06077)和内蒙古自然科学基金项目(2009MS0812)的一部分。主要目的是通过有限元(FEM)仿真纳米压痕测量过程来了解Ti-Si-N超硬纳米复合表面的力学性能，包括应力-应变关系、屈服极限等。在此研究过程中，提出了一种通过有限元仿真确认材料屈服极限的方法。采用该方法研究了TiN和Ti-Si-N的力学性能。
　　 在此研究项目中，我们采用了ABAQUS有限元软件对TiN和Ti-Si-N表面的纳米压痕测量过程进行了仿真，对测量得到的载荷-位移曲线进行了拟合，拟合过程包括以下几个步骤：
　　 (1)从测量得到的载荷-位移实验曲线中提取对应数据；
　　 (2)通过计算获得材料的应力-应变数据；
　　 (3)有限元仿真模型的建立：几何模型包括压头和被测材料，压头使用的是和实验相对应的Berkovich压头，材料是TiN和Ti-Si-N;把计算得到的应力-应变数据作为材料的性质输入有限元仿真程序中；定义载荷步和施加边界条件，进行求解；
　　 (4)采用不同的屈服极限进行有限元仿真，从仿真结果中找出与测量结果相近似的载荷-位移曲线，从而确定屈服极限值；
　　 (5)采用所确定的屈服极限和不同的应变值，再进行有限元仿真，进一步拟合测量结果，最终确定适当的应变值。
　　 采用以上方法在对TiN和Ti-Si-N的有限元仿真中，拟合测量曲线，取得了比较好的结果。
　　 在完成方法开发后，通过对比分析TiN表面和Ti-Si-N纳米复合表面的应力-应变、等效塑性应变曲线和硬度计算，最终确定TiN的屈服极限约是12GPa,而Ti-Si-N的屈服极限高达24GPa。由此可以得出结论：Ti-Si-N纳米复合表面的强度明显优于TiN表面。
　　 研究结果表明，采用纳米压痕法测量实验只能得到关于材料弹性性质的一些参数，而通过有限元仿真去拟合纳米压痕测量的载荷-位移曲线可以得到材料的塑性性质（应力-应变和屈服极限），所以本方法对微小体积材料塑性性能的确定有一定的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 Ti-Si.N纳米复合表面的研究概述

1.2.1 Ti-Si-N晶体结构与性能

1.2.2 Ti-Si-N研究中的问题

1.2.2 Ti-Si-N纳米复合表面的应用

1.3 硬度介绍

1.3.1 硬度的定义及分类

1.3.2 硬度测量方法

1.4 国内外压痕试验的仿真研究

1.4.1 分子动力学仿真

1.4.2 有限元仿真

1.4.3 有限元与分子动力学耦合方法仿真

1.5 本课题研究的主要内容

2 纳米压痕技术

2.1 纳米压痕的一般概念

2.2 纳米压痕技术的理论基础

2.3 纳米压痕技术的应用

3 纳米压痕测量过程的有限元仿真

3.1 非线性有限元软件ABAQUS简介

3.1.1 ABAQUS程序概述

3.1.2 ABAQUS模块和分析步骤

3.2 几何模型

3.2.1 压头模型的几何形状

3.2.2 被测试样的几何形状

3.3 定义材料属性和生成装配件

3.4 定义分析步及接触边界条件

3.5 划分网格

3.6 生成、运行作业

3.7 有限元模型正确性验证

3.8 本章小结

4 力学性能有限元仿真的结果分析

4.1 应力-应变的计算

4.2 载荷-位移曲线的拟合

4.2.1 TiN的载荷-位移曲线的拟合

4.2.3 Ti-Si-N的载荷-位移曲线的拟合

4.2.3 TiN和Ti-Si-N的最终应力-应变曲线对比

4.3 材料硬度的计算

4.4 仿真结果分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢