铝材微压痕有限元模拟[外文翻译].doc

附件C：译文

铝材微压痕有限元模拟

我们采用三维有限元分析（FEA）技术对6061-T6型铝的Vicheers压痕进行建模。先假定两种不同的加工硬化现象，然后将结果与由静态微压机及可记录载荷与深度的微压机所形成的实际压痕进行比较。铝的硬度和塑性流动现象很好地验证了有限元模型，并且暗示当压应变超过0.09mm时，铝材加工硬化的现象将减少。在使用Sneddon法对一个施加了刚性轴对称弹性半空间压痕卸载后的结果进行分析时，其结果证明，Sneddon法在这种情况下是有效的。这也意味着Bolshakov和Pharr所改进的Sneddon法（使用了一个圆锥形压头）不能直接用于解决Vichers压痕的问题。
1. 导言
在过去15年里，人们对载荷和深度敏感微压痕的理解，及材料性能纳米测试技术，都取得了很大的进步。这很大程度上得益于更先进的分析方法，以及有限元法在弹性材料性能分析方面的应用。
传统的硬度测试（比如Vickers硬度测试）已应用于硬度这一材料性能的简单测量中。这种测试可以用于比较不同材料的性能，以及质量控制。必须承认，Vickers硬度并不是一个有明确定义的材料性质，但却是一个有重要作用的材料基本特性。比如弹性模量、泊松比、屈服应力、应变硬化及时效塑性。对于某些材料的其它一些性能，比如表面能、断裂韧性、相变、晶体结构各向异性和晶粒尺寸也应该考虑到。所有这些因素的总和可简称为“VHN”，可得到一个结论，通过压痕试验反过来推断材料的性能是不现实的。
载荷及深度传感微压机（动态微压机）相对于传统的静态微压机是个很大的改进。检测受压变形中载荷及深度，需要额外考虑到硬度条件。如果选用合适的公式，根据这些条件就可以测算出材料的基本性能。不幸的是，这个问题因为材料压缩过程中所产生的复杂不均匀变形而复杂化。
直到最近，对这类型问题的分析还很大程度上采用半经验公式或近似解析法。Tabor进行了一些早期的研究[1]。他研究了金属的圆锥形压痕。几乎在同一时期，Hill[2]也同样研究了理想完全弹性材料（弹性模量无限大）
=constant （1）
其中， 表示Vickers硬度； 表示弹性屈服应力。然而这个关系式对于高弹性材料或有应变硬化的材料不适应。Hirst和Howse的研究结果使这个问题得到了扩展[3]，他们把这个描述为楔形压
（2）
其中A、B为常数，E表示杨氏模量。
Johnson[4]扩展了Tobor的研究，并总结出如下公式