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Indentation size effect of germanium single crystal with different crystal orientations 被引量:6
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作者 Ning LIU Xiao-jing YANG +1 位作者 Zheng YU Lei ZHAO 《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第1期181-190,共10页
In order to study the indentation size effect(ISE)of germanium single crystals,nano-indentation experiments were carried out on the(100),(110)and(111)plane-orientated germanium single crystals.The true hardness of eac... In order to study the indentation size effect(ISE)of germanium single crystals,nano-indentation experiments were carried out on the(100),(110)and(111)plane-orientated germanium single crystals.The true hardness of each crystal plane of germanium single crystals was calculated based on the Meyer equation,proportional sample resistance(PSR)model and Nix-Gao model,and the indentation size effect(ISE)factor of each crystal plane was calculated.Results show that,the germanium single crystals experience elastic deformation,plastic deformation and brittle fracture during the loading process,and the three crystal planes all show obvious ISE phenomenon.All three models can effectively describe the ISE of germanium single crystals,and the calculated value of Nix-Gao model is the most accurate.Compared with the other two crystal planes,Ge(110)has the highest size effect factor m and the highest hardness,which indicates that Ge(110)has the worst plasticity. 展开更多
关键词 germanium single crystal indentation size effect Meyer equation proportional sample resistance(PSR)model Nix-Gao model
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不同晶体取向单晶锗的力学性能 被引量:6
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作者 刘宁 杨晓京 +1 位作者 刘浩 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2019年第4期67-71,共5页
为了研究微纳米尺度下单晶锗的力学特性,采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)和(111)晶面进行了纳米压痕实验,并通过原子力显微镜对材料表面进行了观测。根据单晶锗各晶面的位移-载荷曲线,对单晶锗各晶面的弹性回复率、硬度、弹性模量与... 为了研究微纳米尺度下单晶锗的力学特性,采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)和(111)晶面进行了纳米压痕实验,并通过原子力显微镜对材料表面进行了观测。根据单晶锗各晶面的位移-载荷曲线,对单晶锗各晶面的弹性回复率、硬度、弹性模量与压入深度之间的关系进行了分析。结果表明:单晶锗在加载过程中分别经历了弹性变形、塑性变形和脆性变形三个阶段。当压入深度超过500 nm时,加载曲线上有突进点产生;当压入深度超过100 nm时,卸载曲线上有突退点产生。单晶锗的残余压痕形貌表现为凸起状,表明单晶锗具有较低的加工硬化趋势。当压入深度达到100 nm时,单晶锗表现出明显的尺寸效应,且单晶锗(111)晶面具有最低硬度和弹性模量值。表明相对于其他两个晶面,单晶锗(111)晶面具有更好的塑性变形能力。 展开更多
关键词 单晶锗 纳米压痕 塑性变形 尺寸效应
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单晶锗脆塑转变纳米划痕实验研究 被引量:5
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作者 杨晓京 刘浩 +1 位作者 赵彪 《有色金属工程》 CAS 北大核心 2019年第6期12-16,共5页
为控制单晶锗脆塑转变临界状态,基于公式对单晶锗脆塑转变时的临界载荷进行了预测,采用纳米压痕仪对单晶锗(110)晶面进行了变载荷纳米划痕实验和恒定载荷纳米划痕实验,分析得到单晶锗(110)晶面发生脆塑转变时的临界状态,并借助原子力显... 为控制单晶锗脆塑转变临界状态,基于公式对单晶锗脆塑转变时的临界载荷进行了预测,采用纳米压痕仪对单晶锗(110)晶面进行了变载荷纳米划痕实验和恒定载荷纳米划痕实验,分析得到单晶锗(110)晶面发生脆塑转变时的临界状态,并借助原子力显微镜(AFM)对实验表面进行扫描表征。结果表明,单晶锗(110)晶面在变载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为41.4mN、623nm;单晶锗(110)晶面在恒定载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为30~50mN、500~900nm,验证了变载荷纳米划痕实验结果的正确性。根据变载荷纳米划痕实验结果修正了单晶锗(110)晶面在固定实验参数下发生脆塑转变临界深度理论计算公式,为分析单晶锗微纳米尺度塑性域切削提供数据支持。 展开更多
关键词 单晶锗 脆塑转变 临界深度 临界载荷 变载荷纳米划痕实验 恒定载荷纳米划痕实验
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纳米压痕条件下单晶锗的尺寸效应 被引量:5
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作者 杨晓京 刘宁 +1 位作者 刘浩 《有色金属工程》 CAS 北大核心 2019年第4期8-13,共6页
采用准静态法对单晶锗(111)晶面进行了纳米压痕实验,对单晶锗(111)晶面的位移-载荷曲线及硬度-压深曲线进行了分析。结果表明,在压入深度为471.36nm时,单晶锗(111)晶面的加载曲线上出现突进点,随着压入深度的进一步增加,突进点逐渐增多... 采用准静态法对单晶锗(111)晶面进行了纳米压痕实验,对单晶锗(111)晶面的位移-载荷曲线及硬度-压深曲线进行了分析。结果表明,在压入深度为471.36nm时,单晶锗(111)晶面的加载曲线上出现突进点,随着压入深度的进一步增加,突进点逐渐增多。该点对应为单晶锗(111)晶面由塑性变形向脆性断裂转变的临界点。单晶锗卸载曲线上出现突退点,突退点对应为单晶锗由弹性变形向塑性变形转变的临界点。单晶锗(111)晶面的硬度和弹性模量均呈现出随压入深度的增加而减小的趋势,表现出明显的尺寸效应。基于Nix-Gao模型对单晶锗(111)晶面的硬度与压深关系进行曲线拟合,得到无尺寸效应时的纳米硬度为8.399GPa,微观特征长度为131.907nm,尺寸效应因子为0.168。 展开更多
关键词 纳米压痕 尺寸效应 Nix-gao模型 尺寸效应因子
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单晶锗纳米尺度分层多次切削的分子动力学模拟 被引量:3
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作者 杨晓京 +1 位作者 刘宁 赵垒 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期437-444,451,共9页
运用分子动力学方法研究了单晶锗材料在多次切削过程中晶体结构的演化和相变。比较了在相同的总加工深度下采用两次不同预设切削深度加工单晶锗后表面/亚表面损伤程度、温度和应力的变化。研究结果表明:切削过程中切削区原子发生高压相... 运用分子动力学方法研究了单晶锗材料在多次切削过程中晶体结构的演化和相变。比较了在相同的总加工深度下采用两次不同预设切削深度加工单晶锗后表面/亚表面损伤程度、温度和应力的变化。研究结果表明:切削过程中切削区原子发生高压相变,原子结构从Ge-Ⅰ结构转变为无定形结构,使工件发生塑性变形,切屑以塑性方式去除;切削结束后由于压力和温度释放,少量无定形结构原子重新转变为Ge-Ⅰ结构或六方金刚石结构,而无定形结构主要是β-tin结构和非晶体结构;预设切削深度增加,材料的去除量和亚表面损伤深度增加,其损伤深度不受前一次切削深度影响,仅与最终预设切削深度相关,并且在同样条件下,多次切削比单次切削更有利于降低亚表面损伤深度和提升加工效率。此外,原子相变与σ_(xx)和σH_(yd)相关,亚表面损伤深度与σ_(yy)相关,两次预设切削深度接近或相等时,工件内部应力均衡有利于形成较好的加工表面。 展开更多
关键词 单晶锗 晶体结构演化 分子动力学 亚表层质量
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双划痕实验中单晶锗的去除机制和损伤行为 被引量:1
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作者 杨晓京 +1 位作者 赵垒 刘宁 《中国有色金属学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期2930-2939,共10页
采用纳米压痕仪对单晶锗开展变载荷与定载荷双划痕实验。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了单晶锗的划痕形貌,并对划痕深度、残余深度、弹性回复率和摩擦因数等进行分析;同时结合双划痕应力场模型,揭示单晶锗材料的去除机制和损伤行为。结... 采用纳米压痕仪对单晶锗开展变载荷与定载荷双划痕实验。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了单晶锗的划痕形貌,并对划痕深度、残余深度、弹性回复率和摩擦因数等进行分析;同时结合双划痕应力场模型,揭示单晶锗材料的去除机制和损伤行为。结果表明:变载荷刻划时,材料会发生塑性变形、脆塑转变和脆性断裂;双次刻划过程中材料的脆塑转变临界深度减小,并更容易发生脆性去除。定载荷刻划时,减小划痕间距,材料的脆性断裂程度增加,导致第二次刻划时的划痕深度和残余深度曲线波动增大,但是弹性回复率没有发生改变。这些现象产生的主要原因是双次刻划会使划痕附近材料的最大主应力迅速增加,并且最大主应力随划痕间距的减小而增大,这将导致裂纹扩展并相互作用,最终造成材料发生严重的脆性断裂。 展开更多
关键词 单晶锗 双次刻划 应力分析 去除机制 损伤行为
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多晶锗塑性切削机制和力学特性的仿真研究
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作者 杨晓京 刘宁 《兵器材料科学与工程》 CAS CSCD 北大核心 2020年第1期36-42,共7页
为探究多晶锗纳米尺度的塑性切削机制和力学特性,采用分子动力学方法(MD)模拟金刚石刀具纳米切削多晶锗过程,对材料的晶体结构,位错分布及演变,应力传导和切削力波动规律进行详细分析;并研究不同切削参数对加工过程的影响。结果表明:晶... 为探究多晶锗纳米尺度的塑性切削机制和力学特性,采用分子动力学方法(MD)模拟金刚石刀具纳米切削多晶锗过程,对材料的晶体结构,位错分布及演变,应力传导和切削力波动规律进行详细分析;并研究不同切削参数对加工过程的影响。结果表明:晶体结构的非晶转变和晶界与晶体滑移,位错等缺陷相互作用,导致切削力周期性波动;切削过程中非晶体区沿晶界扩展,但晶界阻碍非晶体区跨晶界扩展;位错仅存在晶界附近,而位错类型和数量随晶界处的原子运动和破坏程度发生改变,材料塑性去除主要由晶粒内部的非晶转变和晶界的位错运动所致;晶界的等效应力比晶粒大,分布和传导方向与非晶体原子的一致;切削速度增加使切削区温度上升、应力和切削力减小;切削深度增加易使缺陷原子数量上升,位错线长度降低。通过Diamond结构多晶的研究结果证实多晶锗切削仿真的正确性。 展开更多
关键词 多晶锗 晶体结构演变 分子动力学 应力传导 晶界
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