壓痕的案例
單晶納米壓痕晶體塑性模擬案例
納米壓痕，也稱為儀器化壓痕試驗，是一種適用于小體積壓痕硬度試驗的品種。壓痕也許是測試材料力學性能最常用的方法
在傳統的壓痕試驗（宏觀或微觀壓痕）中，將機械性能已知的硬尖端（通常由金剛石等非常堅硬的材料制成）壓入性能未知的樣品中。隨著壓頭尖端進一步深入試樣，壓頭尖端上的載荷增加，很快達到用戶定義的值。此時，負載可能會保持恒定一段時間或被移除。測量樣品中殘余壓痕的面積，硬度表示為，載荷與面積的比值（誤差較大）
納米壓痕通過在納米尺度上以非常精確的尖端形狀、高空間分辨率進行壓痕，以及在壓痕過程中提供實時載荷位移（進入表面）數據，改進了這些宏觀和微觀壓痕測試。
在納米壓痕中，使用了較小的載荷和尖端尺寸，因此壓痕面積可能僅為幾平方微米甚至納米。這在確定硬度方面存在問題，因為接觸面積不容易找到。原子力顯微鏡或掃描電子顯微鏡技術可以用來成像壓痕，但可能相當麻煩。取而代之的是，使用具有高精度幾何形狀的壓頭（通常是具有三邊金字塔幾何形狀的Berkovich尖端）。在儀器壓痕過程中，記錄穿透深度，然后使用已知壓痕尖端幾何形狀確定壓痕面積。壓痕時，可以測量各種參數，例如載荷和穿透深度。可以在圖表上繪制這些值的記錄，典型的載荷-位移曲線（如圖所示）。這些曲線可用于提取材料的機械性能
而在數值表征中，目前最受歡迎的數值方法就是晶體塑性有限元方法
因此結合晶體塑性有限元方法和納米壓痕試樣可以很容易模擬不同初始取向的單晶納米壓痕過程的力學響應，分析晶體取向效應。
展開 技術研究｜洛氏球壓痕硬度計測試異常分析與處理
測試結果有誤，根據數據先預計大概的問題原因，球壓痕硬度的計算公式因果關系明確，測試結果偏大首先確認測試結果的計算公式中包含的施加的負荷和壓入鋼球的表面積是否正常且穩定。在排除砝碼和壓頭的表面積沒問題后，根據標準中詳細的實際負荷計算公式進行逐一排查，找出問題并相對應進行調整。
2.由于洛氏硬度與球壓痕硬度是在一臺設備上進行測試，在調整球壓痕硬度的修正深度后也需要考慮到是否會對洛氏硬度的測試帶來一定的影響。通過標準中的數學關系公式同時確認洛氏-α硬度與球壓痕硬度的準確性。
利用lammps模擬不同壓頭半徑對單晶鋁納米壓痕的影響
2.1.問題描述
納米壓痕是確定金屬材料特性的最廣泛使用的方法之一。分子動力學（MD）模擬是一種強大的工具，可以研究納米壓痕過程中原子尺度上的材料行為，并深入了解材料的塑性變形。本工作采用單晶鋁作為原材料，旨在為使用MD設計納米壓痕模擬提供指導。
2.2.模型描述
對單晶鋁納米壓痕的分子動力學模擬通過原子/分子大規模并行模擬器(LAMMPS)實現，模擬結果采用OVITO進行可視化和晶體結構缺陷分析，位錯運動由位錯提取分析方法（Dislocation extraction analysis，DXA）進行表征。圖1為FCC單晶鋁納米壓痕的分子動力學模擬模型，該模型由面心立方的單晶鋁樣品和半徑分別為40?的虛擬壓頭組成。樣品尺寸約為400 ?×400 ?×200 ?，包含1881600個原子，晶體取向為X-[100]、Y-[010]和Z-[001]。如圖1所示，樣品分為邊界層、恒溫層和牛頓層三層，分別用黃色、深藍色和淺藍色著色。納米拋光過程中，模型采用恒體積恒能量（NVE）系綜調控體系狀態。底部邊界層固定以確保樣品的穩定性，恒溫層對模擬過程中產生的熱量進行耗散來保持溫度恒定在300 K，牛頓層原子的運動服從經典的牛頓第二定律。在Z方向上設置了非周期性邊界條件，而在X和Y方向上設置了周期性邊界條件以消除邊界效應。納米壓痕的模擬過程分別以50 m/s的速度在(001)面上進行壓入，并以相同速度卸載，其中壓痕深度為40 ?。
圖2.1: 單晶鋁納米壓痕模型示意圖
2.3結果整理與分析
圖2-2顯示了使用MD模擬獲得的單晶鋁的壓痕深度-力曲線。Oliver和Pharr開發的公式被用來獲得楊氏模量。
展開 壓痕硬度測試的有限元分析
根據壓痕硬度測試理論,建立了有限元模型。通過有限元手段分析了金屬材料在不同載荷作用下的壓入過程,了解在壓痕硬度試驗過程中壓痕周圍所產生的應力分布,計算了硬度HB值,與在硬度試驗中所測的HB值吻合,證實了模型和材料特性描述的可靠性,在此基礎上,研究了不同硬度的試件,載荷對壓痕參數和壓痕周圍應力分布的影響。結果表明:載荷大小直接影響壓痕深度、隆起部分、回彈量和塑性區域大小,隨著載荷的增加,壓痕深度、隆起部分、回彈量和塑性區域大小均有不同程度的增加,增加的程度與材料的硬度有關,而且隨著載荷的增加,壓入深度加深,壓痕周圍塑性區域逐漸擴大,其硬度值和塑性區域逐漸趨于穩定范圍
壓痕硬度測試的有限元分析.pdf
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雙晶納米壓痕的多尺度位錯動力學模擬研究
納米壓痕是研究材料在微納米尺度下力學響應的有效手段，通過納米壓痕可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服強度和硬化指數等重要力學參量。晶界在金屬材料的塑性變形機理及其力學性能中扮演著重要角色，尤其是對于小尺度材料。雙晶納米壓痕是研究晶界對材料力學行為影響的重要手段之一。目前實驗手段難以獲取材料在壓痕過程中位錯結構的演化信息，而多尺度位錯動力學模擬可以有效地獲取和分析材料在塑性變形過程中位錯的演化特征，適用于研究納米壓痕這種與位錯等微結構密切相關的力學實驗。目前多尺度位錯動力學壓痕模擬主要集中在二維模型上，三維單晶模型較少，而三維雙晶模型還未見報道。
近日，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學Michael Zaiser教授（西南交通大學“海外名師項目”專家）合作開展研究，論文第一作者碩士研究生陸宋江通過在三維單晶多尺度框架的基礎上引入可穿透晶界模型開展雙晶納米壓痕模擬，研究位錯與晶界的交互作用機理及晶界對壓痕響應的影響，建立了基于位錯塞積理論的壓痕尺寸依賴性模型，并從位錯結構演化信息分析了相關雙晶壓痕響應的內在機理。相關研究成果已在線發表在材料力學領域頂級期刊《Journal of the Mechanicsand Physics of Solids》（力學小區1區，IF=3.566）。
論文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618308950
傳統離散位錯動力學很難處理壓痕等復雜的邊界條件問題，而通過離散位錯動力學（DDD）與有限元耦合的多尺度方法是解決這一難題的有效途徑。因此，該研究采用多尺度位錯動力學框架來模擬壓痕問題。
展開 一種壓痕試驗仿真方法的介紹
1引言
壓痕仿真作為一種驗證分析壓痕理論的重要手段，由于壓痕試驗成本高，耗時長且試驗不易觀測到實時接觸力、實時裂紋擴展現象，壓痕仿真被廣泛用于硬脆材料的表面損傷、裂紋產生及擴展的研究中。本文提供了一種基于ANSYS LSDYNA的壓痕仿真建模方法，本文重在壓痕仿真的建模方法實現，對于其結果的正確性需要與實際實驗對比。
2模型的建立
2.1壓痕理論
壓痕理論作為斷裂力學的重要組成部分，很多學者已經對其進行過細致的分析討論，這里只是簡單介紹一下模型中磨粒壓入工件裂紋產生及擴展的基本原理，并通過此理論對后處理數據做出相應地解釋[1]。如圖2-1所示，磨粒（類比于尖銳壓頭）在對工件初始加載過程中，磨粒正下方會形成一個塑性變形區，主要包括：塑性變形、相變、軟化、微觀裂紋等，另外磨粒不斷向下加載，工件材料開始向兩側流動，形成材料的堆積如圖2-1（a）所示。當加載磨粒上的壓力增加時（等效于磨粒具備向下的速度），磨粒壓入工件深度增大導致塑性變形區繼續擴大，同時材料的各項異性特性導致裂紋橫向、縱向擴展的寬度、長度、速度均不同，更本質的原因是塑性變形區和塑性變形區下方的彈性區兩者的內部殘余應力不同（如圖2-1（b）所示）。當卸載過程開始時（磨粒向上運動），此時側向裂紋擴展出現，殘余應力為裂紋擴展提供動力，當殘余應力繼續增大時，中位裂紋也會持續擴展（見圖2-1（c）所示）。隨著磨粒的進一步卸載，橫向裂紋進一步擴展，裂紋擴展形貌類似于月牙形，其原理是：裂紋最小阻力原理，即裂紋總是向著最小阻力的方向延伸擴展。而最小阻力通常來自材料的自由表面，因此在磨粒卸載過程中，橫向裂紋的擴展會逐漸向自由表面彎曲如圖2-1（d）所示，當橫向裂紋擴展到材料的自由表面時，就會導致材料的碎裂脫落，即材料的最終去除。
展開 基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展） ￥1.99
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
ANSYS 接觸分析 - 關于壓頭與壓痕問題的一個例子
本例是模擬一個壓頭擠壓工件，在工件表面生成壓痕的問題。
壓頭為圓錐體，頭部是一個半徑 0.25 的近似半球，高 10，大端半徑 2.5.其材料是合金鋼，材料性能：
彈性模量 E = 210000 Mpa； 泊松比 μ = 0.3。
工件為一個半徑 5，高度 20 的圓柱體，材料為鋁合金，材料性能為：
彈性模量 E = 71000 Mpa； 泊松比 μ = 0.33。
屈服應力 σs = 240 Mpa； 切線模量： Et = 710 MPa
建模時，在壓頭的圓錐頭外表面與工件上表面之間創建面-面接觸對，分別采用柔性目標面和剛性目標面兩種接觸方式進行分析。
建模過程如下：
1 定義單元類型：
定義兩種單元類型：
(1) SOLID185 單元，用于對體積劃分網格；
(2) Mesh200 單元，設置單元形狀為 4 節點四邊形：
對圓錐體劃分網格時，準備先對一個截面劃分面網格，然后掃描為體網格，為此需要定義 Mesh200 定義，用于面網格的劃分。
形狀 MESH200 單元形狀為 4 節點四邊形，是為了與 8 節點實體單元SOLID185 的表面網格相匹配。
2 定義兩種材料，其中鋁合金定義為雙線性彈塑性材料：
其中：
材料 1 為合金鋼：
彈性模量 E = 210000 MPa， 泊松比 ν = 0.3；
材料 2 為鋁合金。
展開 【行業知識】多達11中常用的硬度測試，高級機械工程師估計也不知道
不常用的硬度標尺
以下的硬度測試方式是不常用的或是已經被其他方法所代替的：
? HM 馬頓斯硬度（壓痕測試裝置，之前用HU表示-通用硬度）
? H 球壓痕硬度
? HVT 改進的維氏硬度測試方法，深度測量
? HBT 改進的布氏硬度測試方法，深度測量
? BARCOL (巴克爾) – 壓痕硬度
《Nano Letters》可生物降解的聚酯納米粒子的生理相關力學
Brown教授團隊報告使用原子力顯微鏡對聚乳酸和聚丙交酯乙交酯納米顆粒的壓痕實驗。雖然發現干燥的納米顆粒在室溫下是剛性的，但是發現它們的彈性模量在模擬的生理條件下（即在37℃的水中）降低了多達30倍。差示掃描量熱法證實該軟化可歸因于納米顆粒的玻璃化轉變。結合機械和熱分析特性，研究了微型化，分子量和浸入水中的塑化效果。總的來說，這些實驗為實驗家們探索聚合物納米粒子力學與體內行為之間的關系提供了見識。
【圖文解析】
在典型的壓痕實驗中，如先前報道的那樣，通過納米沉淀合成了NP，然后將其滴鑄在涂有聚-1-賴氨酸（PLL）的蓋玻片上，以促進NP與底物的粘附。對于在水中進行的壓痕實驗，在整個合成，制備和實驗過程中，將NP浸入Milli-Q水中。在壓痕實驗中使用水代替緩沖液以避免NP脫離。為了進行機械表征，將蓋玻片放在AFM系統內的Peltier加熱元件上，并保持在固定的實驗溫度下。然后，使用AFM在敲擊模式下掃描表面以識別沒有NP的區域，以進行探針校準程序，然后再次掃描表面以識別分離的NP以進行機械表征（圖1a）。然后在分接模式下收集所選NP的高分辨率圖像，以精確識別其頂點（圖1b）。定位顆粒頂點之后，對顆粒進行壓痕以產生力-壓痕曲線（圖1c），該曲線與修正的Hertzian接觸模型擬合，該模型考慮了NP直徑d（估計為顆粒的高度）和AFM探針直徑，以NP寬度w和d之差來衡量（圖1d）。
圖1.使用原子力顯微鏡（AFM）表征納米顆粒（NP）的典型實驗程序。（a）低分子量聚乳酸（PLALMW）NP集合的調查圖像（高度通道），以識別孤立的NP（虛線框）。彩色條表示高度。（b）從（a）中選擇的孤立NP的高分辨率AFM圖像的高度通道，以及穿過NP頂點的虛線。顏色表示（a）中顏色欄后面的高度。（c）（b）中NP的力曲線，力F與壓痕h的關系。
展開 干貨分享（七）：車身常用材料的選擇
維氏硬度
維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同,也是根據單位壓痕陷凹面積上承受的負荷，即應力值作為硬度值的計量指標。所不同的是維氏硬度采用錐面夾角為136°的四方角錐體，由金鋼石制成。之所以采用四方角錐，是針對布氏硬度的負荷P和鋼球直徑D之間必須遵循P/D2為定值的這一制約關系的缺點而提出來的。采用了四方角錐，當負荷改變時壓人角不變，因此負荷可以任意選擇，這是維氏硬度試驗最主要的特點，也是最大的優點。
四方角錐之所以選取136°，是為了所測數據與HB值能得到最好的配合。因為一般布氏硬度試驗時，壓痕直徑d多半在0.25D到0.5D之間，當d＝0.375D時，通過此壓痕直徑作鋼球的切線，切線的夾角正好等于136°。所以通過維氏硬度試驗所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗所得到的硬度值能完全相等，這是維氏硬度試驗的第二個特點。此外，采用四方角錐后，壓痕為一具有清晰輪廓的正方形，在測量壓痕對角線長度d時誤差小，這點比用布氏硬度測量圓形的壓痕直徑d要方便得多。還有，采用金鋼石制壓頭可適用于試驗任何硬質的材料。和布氏、洛氏硬度試驗比較起來，維氏硬度試驗具有許多優點。它不存在布氏那種負荷P和壓頭直徑D的規定條件的約束，以及壓頭變形問題；也不存在洛氏那種硬度值無法統一的問題。而它和洛氏一樣可以試驗任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測試極薄件(或薄層)的硬度，這點只有洛氏表面硬度級才能做到。但即使在這樣的條件下，也只能在該洛氏級內進行比較，和其它硬度級統一不起來。此外洛氏由于是以壓痕深度為計量指標，而壓痕深度總比壓痕寬度要小些，故其相對誤差也越大些。因此，洛氏硬度數據不如布氏、維氏穩定，當然更不如維氏精確。
總的來說，維氏硬度試驗具有另外兩種試驗的優點而摒棄了它們的缺點，此外還有它本身突出的特點——負荷大小可任意選擇。
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納米力學表征3D打印鈦及鈦鋁合金的應用
南極熊3D打印網獲悉，近期，加拿大多倫多大學材料系鄒宇教授課題組（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）與北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室合作采用高速納米壓痕技術（1個壓痕/約1秒）對3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進行了高通量力學表征 （硬度H和彈性模量E）[1] [2]。圖1是3D打印示意圖和納米壓痕實驗圖。另外，兩個課題組對于近期增材制造鈦合金的文獻也做了綜述總結[3].相關工作如下:
論文鏈接:
【1】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
【2】https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0925838821013554
【3】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
△圖1. (a) 激光增材制造制備TA15鈦合金示意圖。(b) 納米壓痕儀Berkovich 壓頭SEM圖片。(c) 鈦合金α 和β相BSE圖片(帶壓痕)
雙相TA15 鈦合金的納米壓痕實驗表明：（1）高速高通量納米壓痕技術是一種有效的表征具有復雜微觀結構的多相合金H和E分布的方法。其空間分辨率可以達到亞微米范圍（?300-500 nm）。（2）H和E分布圖可以清楚的定量同一個樣品hcpα相的力學各向異性。（3）熱處理作為3D打印材料重要的后處理手段，此方法可準確表征熱處理過程中元素的再分布對α和β相力學性能的影響。高溫熱處理隨爐冷卻后，Al從β相擴散到相鄰的α相，而Mo和V沿相反方向擴散。
展開 硬度夠不夠，真的很重要.....
(2)根據不同壓頭所受應力σHRC=σHV，通過對洛氏硬度與維氏硬度壓痕深度關系曲線的分析得出公式
本公式與國家標準實驗換算值對照,換算式計算結果與標準實驗值之誤差為±0.1HRC。
(3)根據實際的實驗數據利用線性回歸的方法對洛氏硬度與維氏硬度的換算進行探討，得出公式：
本公式使用范圍小，誤差較大，但計算簡便，在對精度要求不高時可以使用。
3.洛氏硬度與布氏硬度的換算
(1)對布氏壓痕和洛氏壓痕深度關系進行分析，根據壓頭的應力σHRC=σHB得出換算公式
計算結果與國家標準實驗值對照，換算式計算結果與標準實驗值之誤差為±0.1HRC。
(2)根據實際實驗數據用線性回歸法得到公式
公式誤差偏大，使用范圍偏小，但計算簡便，在對精度要求不高的情況下可以使用。
4.布氏硬度與維氏硬度的換算
布氏硬度與維氏硬度的關系，同樣根據σHB=σHV得出公式
此公式換算結果與國家標準換算值對照，換算誤差為±2HV。
5.努氏硬度與洛氏硬度的換算
因為努氏硬度與洛氏硬度的對應曲線類似于拋物線，故由曲線得出近似的換算公式為
此公式比較精確，可以作為使用參考。
展開 常用HV≈HB≈HRC硬度對照表，一目了然
布氏硬度測量法適用于鑄鐵、非鐵合金、各種退火及調質的鋼材，不宜測定太硬、太小、太薄和表面不允許有較大壓痕的試樣或工件。
洛氏硬度 Rockwell Hardness
用錐頂角為120°的金剛石圓錐或?1.588mm和?3.176mm淬火鋼球作壓頭和載荷配合使用，在10kgf初載荷和60、100或150kgf力總載荷（即初載荷加主載荷）先后作用下壓入試樣，在總載荷作用后，以卸除主載荷而保留主載荷時的壓入深度與初載荷作用下壓入深度之差來表示硬度。
洛氏硬度試驗采用三種試驗力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應于洛氏硬度的9個標尺。這9個標尺的應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。常用的有HRA、HRB和HRC三種，其中HRC應用最廣。
常用洛氏硬度試驗規范表
HRC標尺的使用范圍是20~70HRC。當硬度值小于20HRC時，因為壓頭的圓錐部分壓入太多，靈敏度下降，這時應改用HRB標尺；當試樣硬度大于67HRC時，壓頭尖端承受的壓力過大，金剛石容易損壞，壓頭壽命會大大縮短，因此一般應改用HRA標尺。
洛氏硬度試驗操作簡便、迅速、壓痕小，可測試成品表面及較硬、較薄的工件。因壓痕小，對于組織和硬度不均勻的材料，硬度值波動較大，準確性不如布氏硬度高。洛氏硬度用于測定鋼鐵、有色金屬、硬質合金等的硬度。
維氏硬度 Vickers Hardness
維氏硬度測量原理與布氏硬度相似。采用相對面夾角為136°金剛石正四棱錐壓頭，以規定的試驗力F壓入材料的表面，保持規定時間后卸除試驗力，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值，標記符號為HV。
維氏硬度測量范圍大，可測量硬度為10~1000HV范圍的材料，壓痕小，一般用來測量較薄的材料和滲碳、滲氮等表面硬化層。
展開 有關材料硬度，你知道多少？
維氏硬度是將試驗力F(N)除以標準片與壓頭之間的接觸面積S(mm2)所得的值，該面積根據在試驗力F(N)下通過壓頭(四方錐金剛石，相對面角=136?)在標準片上形成的壓痕的對角線長度d(mm，兩個方向長度的平均值)計算。k為常數(1/g=1/9.80665)。
3、
努氏硬度/
Knoop Hardness
努氏硬度（符號HK）如以下公式所示，是通過將試驗力除以壓痕投影面積A (mm2)所計算的值，該面積根據在試驗力F通過按壓長菱形金剛石壓頭(相對邊角為172?30'和130?)在標準片上形成的壓痕的較長對角線長度d (mm)計算。
努氏硬度也可以通過將顯微硬度試驗機的維氏壓頭替換為努氏壓頭來測量。
4、
洛氏及表面洛氏硬度
Rockwell Hardness
洛氏硬度（符號HR）或洛氏表面硬度的測量之前，需先使用金剛石壓頭(尖端錐角：120?，尖端半徑：0.2mm)或球形壓頭(鋼球或硬質合金球)向標準片施加預加載力，然后施加試驗力，并恢復預加載力。
該硬度值由硬度公式得出，該公式以預加載力和試驗力之間的壓痕深度h(μm)之差表示。洛氏硬度測試使用98.07N的預加載力，洛氏表面硬度測試則使用29.42N的預加載力。
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