单晶纳米压痕晶体塑性模拟案例

纳米压痕，也称为仪器化压痕试验，是一种适用于小体积压痕硬度试验的品种。压痕也许是测试材料力学性能最常用的方法

在传统的压痕试验（宏观或微观压痕）中，将机械性能已知的硬尖端（通常由金刚石等非常坚硬的材料制成）压入性能未知的样品中。随着压头尖端进一步深入试样，压头尖端上的载荷增加，很快达到用户定义的值。此时，负载可能会保持恒定一段时间或被移除。测量样品中残余压痕的面积，硬度表示为，载荷与面积的比值（误差较大）

纳米压痕通过在纳米尺度上以非常精确的尖端形状、高空间分辨率进行压痕，以及在压痕过程中提供实时载荷位移（进入表面）数据，改进了这些宏观和微观压痕测试。

在纳米压痕中，使用了较小的载荷和尖端尺寸，因此压痕面积可能仅为几平方微米甚至纳米。这在确定硬度方面存在问题，因为接触面积不容易找到。原子力显微镜或扫描电子显微镜技术可以用来成像压痕，但可能相当麻烦。取而代之的是，使用具有高精度几何形状的压头（通常是具有三边金字塔几何形状的Berkovich尖端）。在仪器压痕过程中，记录穿透深度，然后使用已知压痕尖端几何形状确定压痕面积。压痕时，可以测量各种参数，例如载荷和穿透深度。可以在图表上绘制这些值的记录，典型的载荷-位移曲线（如图所示）。这些曲线可用于提取材料的机械性能

而在数值表征中，目前最受欢迎的数值方法就是晶体塑性有限元方法

因此结合晶体塑性有限元方法和纳米压痕试样可以很容易模拟不同初始取向的单晶纳米压痕过程的力学响应，分析晶体取向效应。单晶纳米压痕实现如下：

1，分别建立单晶（3D可变形体）和压头几何模型（刚体）

2，分别赋予单晶晶体属性，压头为纯弹性属性

3，建立压头与晶体之间的接触属性（面面接触，切向无摩擦）

4，设定下压时间步长，以及边界条件（单晶底部完全固定，压头赋予Y方向的下压位移，其余自由度固定（不考虑卸载））

5，网格划分，其中接触区域网格细化，以便于接触的收敛

6，对于四种典型初始取向（立方（0 0 0 ），铜型（90 35 45 ），黄铜性（35 45 0），S（59 37 63））进行重复模拟

结果与后处理

应力分布情况

等效塑性应变分布情况

载荷位移曲线