细观实验力学方法及应用

本书共12章：第1章为绪论；第2章为实验方法及原理，介绍纳米压痕法、几何相位分析法、数字图像相关法的基本原理；第3章为高频正交光栅及微观散斑制备，介绍高频正交光栅和微观散斑制备技术及质量表征；第4~6章为纳米压痕法应用研究，分别介绍纳米压痕法在不同材料细观力学性能方面的应用研究；第7~9章为几何相位分析法应用研究，主要介绍几何相位分析法在碳纤维增强复合材料三维形貌、纳米压痕残余应变场及细观破坏行为方面的应用研究；第10~12章为数字图像相关法应用研究，主要介绍数字图像相关法在复合材料细观缺陷损伤及GH4169细观力学性能方面的应用研究。

本书可供高等学校力学、机械、土木、航空航天、材料等专业本科生使用，也可供研究生和相关工程技术人员参考。

内蒙古青年科技英才

前言

第1章 绪论 1

1.1 细观实验力学的作用 1

1.2 细观实验力学方法的发展过程 2

1.3 细观实验方法 2

1.3.1 纳米压痕法 2

1.3.2 几何相位分析法 3

1.3.3 电子束云纹法 3

1.3.4 数字图像相关法 4

参考文献 4

第2章 实验方法及原理 8

2.1 纳米压痕法 8

2.1.1 实验仪器 8

2.1.2 准静态法 10

2.1.3 连续刚度测量法 11

2.2 几何相位分析法 13

2.3 数字图像相关法 16

2.3.1 面内位移表征 16

2.3.2 相关系数表示 18

2.3.3 DIC相关搜索算法 18

2.3.4 亚像素位移定位法 21

参考文献 24

第3章 高频正交光栅及微观散斑制备 25

3.1 高频正交光栅制备 25

3.1.1 光栅制备工具简介 25

3.1.2 点阵扫描电子束制栅原理 25

3.1.3 光栅制备流程 28

3.1.4 光栅质量评价 29

3.1.5 光栅栅距误差分析 33

3.2 微观散斑制备 34

3.2.1 散斑制备实验过程 34

3.2.2 散斑质量评价方法 35

3.2.3 散斑优化过程 36

3.2.4 SEM视场参数优化 38

3.2.5 DIC子集尺寸优化 41

3.2.6 系统噪声表征 42

3.3 本章小结 43

第4章 纳米压痕法应用一：电子束光刻胶力学性能研究 44

4.1 Si基光刻胶试样制备 44

4.2 实验结果及分析 45

4.2.1 光刻胶厚度确定 45

4.2.2 光刻胶在不同固化温度下力学性能研究 47

4.2.3 光刻胶不同厚度力学性能研究 49

4.2.4 基体效应 51

4.2.5 考虑体积效应的理论模型 53

4.3 光刻胶韧性及与基体结合强度研究 58

4.3.1 实验方法 58

4.3.2 光刻胶韧性与厚度关系 59

4.3.3 光刻胶结合能与厚度关系 62

4.3.4 光刻胶制备高频正交光栅及表征 63

4.4 本章小结 65

参考文献 65

第5章 纳米压痕法应用二：树脂基复合材料不同加载速率下力学性能研究 67

5.1 实验方法 67

5.1.1 试样制备 67

5.1.2 纳米压痕实验 67

5.2 实验结果及分析 68

5.2.1 载荷-压痕位移曲线 68

5.2.2 模量与加载速率关系分析 70

5.2.3 接触刚度与加载速率关系分析 71

5.2.4 硬度与加载速率关系分析 71

5.3 本章小结 75

第6章 纳米压痕法应用三：2024铝合金细观力学性能研究 76

6.1 材料与实验 76

6.1.1 实验材料及实验过程 76

6.1.2 理论分析 76

6.2 结果与讨论 78

6.2.1 载荷-压痕深度曲线 78

6.2.2 刚度-压痕深度曲线 79

6.2.3 弹性模量和硬度 79

6.2.4 应力-应变关系验证 81

6.3 本章小结 82

参考文献 83

第7章 几何相位分析法应用一：碳纤维增强复合材料三维形貌研究 84

7.1 微观形貌计算原理 84

7.2 试样制备 87

7.3 实验结果及分析 88

7.3.1 形貌分析 88

7.3.2 微观形貌计算结果 88

7.3.3 原子力显微镜分析 90

7.4 本章小结 92

参考文献 93

第8章 几何相位分析法应用二：碳纤维增强复合材料纳米压痕残余应变场分析 94

8.1 试样制备及纳米压痕实验过程 94

8.2 实验结果及分析 94

8.2.1 力学性能分析 94

8.2.2 压痕周围应变场分析 98

8.3 本章小结 105

第9章 几何相位分析法应用三：碳纤维增强复合材料细观破坏行为研究 106

9.1 材料与试样制备 106

9.2 电子束云纹法原理 107

9.3 结果与讨论 108

9.3.1 电子束云纹实验结果分析 108

9.3.2 几何相位实验结果分析 111

9.4 结论 118

第10章 数字图像相关法应用一：复合材料细观缺陷损伤研究 119

10.1 实验过程 119

10.1.1 材料与试样制备 119

10.1.2 SEM环境下原位拉伸实验 120

10.1.3 SEM原位循环加载实验 120

10.2 静载下不同缺陷损伤演化 121

10.2.1 应力-应变曲线 121

10.2.2 缺口损伤演化过程 121

10.2.3 孔洞损伤演化过程 123

10.2.4 纤维搭接损伤演化过程 125

10.2.5 静载下缺口周围应变场分析 126

10.2.6 90°纤维层中孔洞应变场分析 128

10.3 循环载荷下不同类型孔洞损伤演化 129

10.3.1 90°纤维层内孔洞损伤演化 129

10.3.2 90°纤维层内孔洞损伤应变场分析 131

10.3.3 45°纤维层内孔洞损伤演化 133

10.3.4 45°纤维层孔洞应变场分析 134

10.3.5 -45°纤维层内孔洞损伤演化 135

10.3.6 -45°纤维层内孔洞应变场分析 137

10.4 本章小结 139

第11章 数字图像相关法应用二：GH4169合金原位SEM-DIC研究 141

11.1 实验过程 141

11.1.1 试样制备 141

11.1.2 实验方法 142

11.2 结果与讨论 143

11.2.1 不同温度下平均应变定量分析 143

11.2.2 不同温度下缺口应变分布影响研究 145

11.2.3 加载过程中组织形貌分析 149

11.3 本章小结 152

参考文献 152

第12章 数字图像相关法应用三：DIC结合EBSD研究GH4169压痕残余应变场 153

12.1 样品制备及实验过程 153

12.2 结果与讨论 154

12.2.1 不同压痕参数下几何必要位错的差异 154

12.2.2 单晶粒取向研究 157

12.2.3 #13区域DIC分析 158

12.2.4 滑移迹线分析 159

12.2.5 压痕周围堆积分析 163

12.3 本章小结 165

参考文献 165