单晶Al_(2)O_(3)纳米压痕加载方式优化与损伤机理的仿真与实验研究OA
目的氧化铝(Al_(2)O_(3))陶瓷作为典型硬脆材料,其微观力学行为的准确表征对材料设计与性能评估具有重要意义。纳米压痕技术虽能直接获取硬度与弹性模量,但加载方式对测试结果影响显著,尤其在高载荷下易引发表面损伤,导致测量误差。方法本研究通过实验与仿真相结合的方法,系统探究了50~250 mN范围内不同最大加载力对单晶Al_(2)O_(3)纳米压痕响应的影响。结果100 mN为最优测试载荷,此时压痕形貌完整、力学参数稳定;载荷过低(50 mN)时压痕尺寸过小,受表面效应干扰显著;载荷过高(≥150 mN)则引起材料开裂与塑性堆积,导致接触面积计算偏差。有限元仿真进一步揭示,压痕过程中应力高度集中于压头棱线区域,该处为裂纹萌生的主要位置;高载荷下残余应力与塑性应变显著累积,加剧损伤演化。结论本研究建立了一种融合实验与模拟的纳米压痕分析方法,不仅为单晶Al_(2)O_(3)的可靠力学表征提供了载荷优化依据,也为硬脆材料在微纳尺度下的损伤机理研究与测试标准化奠定了基础。
李文轩;段海涛;詹胜鹏;杨田;骆小双;贾丹
中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030 湖北隆中实验室,湖北襄阳441000中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030 湖北隆中实验室,湖北襄阳441000中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030 湖北隆中实验室,湖北襄阳441000中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种材料表面工程全国重点实验室,武汉430030 湖北隆中实验室,湖北襄阳441000
矿业与冶金
单晶Al_(2)O_(3)纳米压痕有限元仿真加载力力学性能
《表面技术》 2026 (19)
P.236-246,11
国家重点研发计划(2023YFB3812700)。
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