納米壓痕仿真的案例
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：
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 請問這個為什么一直顯示不能在平面內轉換？
想弄一個二維的納米壓痕仿真，是薄膜-基底的，仿真一直報錯
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。
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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 晶體塑性每日文章推薦（八）
文章名稱：《Multi-scale simulation of nanoindentation on cast Inconel 718 and NbC precipitate for mechanical properties prediction》
doi：10.1016/j.msea.2016.03.081
推薦理由：作者使用宏觀拉伸實驗和RVE方法確定了in718基體的晶體塑性參數，使用第一性原理確定了NbC的彈性屬性和屈服應力，并根據對應的參數分別模擬了基體和NbC夾雜的納米壓痕結果，其中關于納米壓痕的實驗和仿真介紹十分詳細，提出的多尺度分析思路對于夾雜物力學性能的確定很有啟發意義。
理論部分
硬化方程（位錯密度模型）：
流動方程（唯象冪律流動）：
in718材料參數確定（代表性體積元方法）
NbC力學性能確定基于第一性原理
確定其彈性參數為：
并基于Voigt-Reuss-Hill (VRH) 均勻化方案確定體積模量剪切模量以及楊氏模量，泊松比
Voigt 和 Reuss bounds：
由此確定楊氏模量和泊松比：
NbC對應的力學性能為：
根據得到NbC的硬度以及硬度和屈服應力的關系，得到NbC的屈服強度，在后續分析時認為NbC為理想彈塑性材料，根據標定的本構參數分別模擬了基體和NbC對應的納米壓痕結果：
其研究結果表明
基于第一性原理計算得到的彈性性能與納米壓痕實驗具有良好的一致性
晶體取向對荷載-位移曲線的影響有限，但對堆積形態的影響較大。峰值負荷只有1.2%的變化
另外該作者提出的CPFE模擬與第一性原理研究相結合的解決方案顯示出研究多晶材料和沉淀物力學性能的巨大潛力。
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