脆性材料在韧性域内的往复纳米划痕深度预测研究

作     者：于洲 余家欣 袁卫锋 赖建平 何洪途 YU Zhou;YU Jiaxin;YUAN Weifeng;LAI Jianping;HE Hongtu

作者机构：西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室绵阳621010 

出 版 物：《机械工程学报》 (Journal of Mechanical Engineering)

年 卷 期：2021年第57卷第15期

页      面：246-254页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金面上(51975492,51575462) 四川省教育厅科研重点(18ZA0504)资助项目。 

主　　题：纳米划痕 预测模型 赫兹接触理论 模量修正 脆性材料 

摘      要：提出了一种基于多道次划痕法的划痕深度的预测模型,在此模型中,基本假设为在针尖与材料弹性接触后,在每道次划痕中的划痕深度增量与赫兹接触理论得到的最大剪应力深度成正相关。随后通过建立每道次划痕时针尖与样品接触半径的递推关系,获得每道次划痕深度增量的递推关系,并通过划痕深度增量的总和来建立多次划痕深度的预测模型。考虑到脆性材料在多次划痕过程中会出现力学性能的变化,因此在预测模型中引入了材料弹性模量的修正方程以提高预测模型的精确性。为了验证上述模型的可靠性,本研究在压痕弹性载荷作用下,以磷酸盐激光玻璃为样品,采用球形金刚石针尖进行了多道次往复纳米划痕试验,并实现了对不同次数下的纳米划痕深度的预测。在通过对玻璃样品的弹性模量修正后,发现预测划痕深度和试验深度吻合度高。修正后的弹性模量根据划痕载荷的不同表现为随划痕次数不同的变化趋势,这与玻璃材料在不同载荷下剪切应力诱发的致密化与损伤软化相关。本研究所提出的计算模型理论基础可靠,同时考虑了材料自身力学性能的变化,因此有望推广到其他脆硬材料的纳米划痕变形演变预测中。