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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    仪器化压入新进展专题·编者按

    刘明
    1-3页
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    压入能量差法测试二向残余应力

    彭伟蒋文春杨滨孙广华...
    4-14页
    查看更多>>摘要：本文提出了一种利用有残余应力和无残余应力作用下的压入能量差计算二向残余应力的新方法,采用努氏压头分别沿二向应力方向压入,以压入过程加载力-压入深度(F-h)曲线积分得到的压入能量作为计算参数,无需观测压痕形貌即可获得二向应力分量.首先构建了压入过程功-能转化模型,从能量角度解释F-h曲线随残余应力变化的原因.通过有限元方法分析不同幂律硬化材料在残余应力作用下的能量演变,建立了单向残余应力作用下的压入能量差计算公式.同时,计算结果表明努氏压头的压入能量差具有叠加特性和方向特性.利用该特性可实现将任意二向残余应力转化为两个等效单向残余应力,进而将其分别代入单向残余应力的压入能量差计算公式即可获得二向应力分量.搭建了压入法测试装置,与压痕应变法对比测试取得了较为吻合的残余应力分布结果.

    残余应力压入法努氏压头能量法

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    基于锥形压入总功的金属表面等轴残余应力检测方法

    李赛飞张亮彭光健韩志...
    15-24页
    查看更多>>摘要：工程结构或关键部件存在残余应力会显著影响其力学性能,准确检测残余应力对分析力学性能和评估服役安全性具有重要意义.本文选取锥形压入总功这一稳定、可测的积分量作为分析参量;借助量纲分析,建立残余应力引起的压入总功变化率与归一化等轴残余应力之间的无量纲关系;结合有限元模拟,发现二者之间存在近似线性关系,通过拟合构建归一化等轴残余应力与压入总功变化率之间的映射关系;依据此关系,建立金属材料表面等轴残余应力的锥形压入检测方法.通过数值模拟,验证检测方法的准确性;借助双轴预应力夹具在三种常用金属试样中引入等轴残余应力,实验验证检测方法的可靠性,实验结果表明相对误差普遍在±20％以内,绝对误差普遍在30 MPa以内.

    等轴残余应力仪器化压入有限元模拟量纲分析

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    复合材料多层级界面细-微-纳观实验与模拟

    李倩李岩
    25-36页
    查看更多>>摘要：植物纤维具有绿色环保、来源丰富等优点,拥有与人造纤维相媲美的比力学性能,有望成为重要的增强纤维种类.植物纤维独特的多层级结构会影响其增强复合材料的载荷传递模式.为了实现植物纤维增强复合材料的界面设计,量化其多层级界面性能十分必要.本文首先应用纳米压入技术,依次采用单步和多步准静态纳米压入方法确定了植物纤维增强复合材料多层界面力学性能,包括模量和硬度以及能量耗散、裂纹萌生和扩展能力.然后采用动态纳米力学分析技术,评估了循环加载下植物纤维增强复合材料多界面的疲劳特性.最终结合细观尺度有限元模拟,引入纳观尺度获得的多界面性能参数,重现了复合材料多层级界面带来的多阶段破坏行为.结果表明,植物纤维多层级结构与其增强复合材料多阶段失效行为相关,植物纤维增强复合材料多层级界面依次呈现由裂纹萌生和扩展引起的失效.纳观尺度实验结果为深入剖析细微观尺度复合材料界面性能和失效机制提供了支持和依据.

    复合材料纳米压入多层级界面

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    利用仪器化压入表征纯铝的循环动态和蠕变行为

    刘明徐智通杨福前
    37-50页
    查看更多>>摘要：本文利用仪器化压入研究了纯铝在循环载荷下的动态行为及在准静态载荷下的蠕变行为,揭示了载荷、加载速率和保载时间等实验参数对纯铝循环压入响应的影响.循环压入结果表明,预加载阶段的保载时间延长,载荷增大,加载速率增大,有利于减弱蠕变对后续循环压入的影响,使接触深度、压入硬度和接触模量等力学性能参数随循环次数的增加更快趋于稳定.蠕变结果表明,随保载时间的增加,接触模量和压入硬度呈下降趋势;纯铝的稳态蠕变应力指数不随载荷而变化;蠕变测试保载时间不宜过长.压头在晶粒内部测试时,纯铝表现出比在晶界区域测试更强的抗稳态蠕变性能,循环压入的硬度也高于晶界区域.

    纯铝仪器化压入蠕变循环压入加载条件

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    纳米压痕下单/多层薄膜弹塑性本构的无量纲分析

    龙旭申子怡贾啟普李娇...
    51-61页
    查看更多>>摘要：针对薄膜-基体结构特点,本文基于纳米压痕测试所得荷载-位移曲线,从加载阶段的荷载与功的角度出发,将薄膜材料的本构参数(弹性模量、硬化指数、屈服强度)作为荷载-位移曲线的影响参数并对其进行无量纲组合.结合有限元仿真分析结果将无量纲函数公式化表达,提出适应于单层弹塑性薄膜材料的本构参数求解方法.通过与机器学习算法基于大量压痕数据预测所得本构参数进行对比,验证本文所提出无量纲函数在复现有限元预测结果方面的优势.此外,通过所提出"复合本构参数"的概念,基于本文提出的单层薄膜求解方法,逐层求解未知单层薄膜本构参数,最终确定多层薄膜的本构参数.本文的力学性能研究工作对提高薄膜系统和基于薄膜技术的器件可靠性和寿命具有重大意义.

    薄膜纳米压痕量纲分析弹塑性本构有限元计算

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    基于机器学习确定膜基材料弹性模量的仪器化压痕方法

    孙廷威张建伟秦瑾鸿赵思伟...
    62-68页
    查看更多>>摘要：仪器化压痕测试方法在确定材料的力学性能方面有着广泛的应用.由于基底效应,采用该方法确定膜基材料各层的力学性能变得更为复杂.本文采用有限元仿真结合经典多输出多层感知器(MLP)神经网络的方法,建立了膜基材料力学性能参数(薄膜弹性模量、基底弹性模量)与复合模量和无量纲化最大压入深度(最大压入深度/薄膜厚度)之间的关系,并发展了基于机器学习确定膜基材料弹性模量的仪器化压痕方法.对比深度学习的预测和有限元的仿真结果,发现经MLP神经网络训练的硬膜软基底材料和软膜硬基底材料的预测值与仿真结果的吻合度较好.开展硬膜软基底材料Ni/304不锈钢以及软膜硬基底材料Cu/304不锈钢的压痕试验对MLP神经网络进行验证,结果表明,MLP神经网络预测的各层弹性模量与试验中获得的结果较为接近.本文结果可为评价膜基材料各层性能提供可供选择的测试方法.

    神经网络膜基材料纳米压痕弹性模量

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    不同成分金属玻璃薄膜在纳米压入与划痕中的力学响应

    马昕迪孙康王刚
    69-82页
    查看更多>>摘要：本文通过纳米压痕及划痕测试探究了不同成分金属玻璃薄膜在纳米尺度的力学响应行为.系统地研究了具有不同脆性指数的Cu50Zr50,Ni62Nb38,Fe70Nb10B20和Co56Ta35B9四种金属玻璃薄膜在不同加载速率条件下的纳米压入锯齿流变行为.结合理论计算分析了不同加载条件下金属玻璃薄膜的蠕变行为,获得了材料内部剪切转变区体积.通过纳米划痕实验探究了不同成分的金属玻璃薄膜的耐磨性.结果表明金属玻璃薄膜的流变方式依赖于加载速率的变化.剪切转变区体积大小是由玻璃的脆性指数和弛豫态结构与加载速率的共同作用所致,玻璃内部不均匀程度越大剪切转变区体积越容易受加载速率的影响.

    金属玻璃薄膜纳米压痕纳米划痕力学性能

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    一种确定纳米压入接触面积的简便方法

    龚江宏刘明
    83-90页
    查看更多>>摘要：接触面积是应用纳米压入技术表征材料力学性能所需的一个重要参数.经典Olive-Pharr(OP)方法要求事先采用标准样品标定出一个面积函数用于接触面积的计算.这一方法不但繁琐耗时,其可靠性和准确性也一直存有质疑.本文借助于Malzbender等人[J Mater Res,2000,15:1209-1212]导出的纳米压入加载阶段荷载-位移关系式,提出了一种直接确定接触面积的简便方法.这一方法计算接触面积所需的两个参数-接触深度hc和"钝化压头端部截断距离"hd-可以分别通过分析实测荷载-位移曲线的卸载部分和加载部分直接得到,避免了繁琐的预标定过程,同时也能真实准确地反映出实际材料对纳米压入的响应.对一些典型材料纳米压入数据进行的分析初步证实了这一新方法的有效性和可靠性.

    纳米压入接触面积力学表征自洽描述

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    幂硬化材料圆锥压入完整塑性区的应力分布模型

    陈辉蔡力勋彭晖毛卫国...
    91-100页
    查看更多>>摘要：经典接触力学提供了圆锥压入载荷-深度关系及应力分布的弹性解,也指明了任意钝形压头弹塑性压入的应变场近似符合膨胀空腔模型.本文回顾了前人基于膨胀空腔模型与弹塑性力学理论导出的幂硬化材料圆锥压入弹性区的应力解,并进一步借助受内压厚壁球壳应力解给出了圆锥压入塑性区内von-Mises等效应力表达式.通过数值验证发现有限元计算的等效应力与压入理论解在弹性区内较为一致,而在幂硬化材料的塑性区内仍存在较明显偏差.为进一步精准描述幂硬化材料圆锥压入完整塑性区的等效应力,结合量纲分析方法和有限元模拟建立了圆锥压入应力分布的新模型.最终在较大延性材料范围内验证了该模型,结果显示所有计算应力在完整塑性区范围内均与模型预测结果较为一致.

    压入膨胀空腔模型量纲分析有限元方法

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