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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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
• 1.2.3 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
• 4.2.2 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