纳米压痕实验的三维有限元数值模拟研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头.介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性.在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响.对比分析了尖端曲率半径$r=0$与$r=100$nm两种压头的材料压痕载荷－位移曲线.结果表明，当压头尖端曲率半径$r\ne0$时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高.