Παρακαλώ χρησιμοποιήστε αυτό το αναγνωριστικό για να παραπέμψετε ή να δημιουργήσετε σύνδεσμο προς αυτό το τεκμήριο:
https://hdl.handle.net/20.500.14279/18834
Τίτλος: | Computational Modeling of Nanoindentation on Emerging Materials: Auxetics, Hard Thin Films and Cohesive-Frictional Solids | Συγγραφείς: | Photiou, Demetris | Λέξεις-κλειδιά: | Nanoindentation;Contact mechanics;Finite element method;Auxetics;Thin films;Cohesive-frictional materials | Advisor: | Constantinides, Georgios | Ημερομηνία Έκδοσης: | Ιου-2019 | Department: | Department of Mechanical Engineering and Materials Science and Engineering | Faculty: | Faculty of Engineering and Technology | Περίληψη: | Nanoindentation has evolved into a ubiquitous tool for the mechanical characterization of materials at small scales. Several mechanical metrics are routinely extracted, the most common of which are the elastic modulus and the hardness of the indented material. Perhaps, even more importantly than the capability for nanoscale mechanical characterization, is the fact that it provided experimentalists with an unprecedented access to fundamental material physics. This enabled a refined understanding of the underlying mechanisms that yield the macroscopic mechanical response of materials and enabled materials scientists and engineers in developing models and routes for tailor-made synthesis of materials for specific applications. This capability, however, triggered the uncontrolled utilization of nanoindentation in virtually all material systems: metals, ceramics, polymers, composites, biomaterials, thin films, etc. The initial framework of data analysis, however, was developed for metals and it is not necessarily suitable for other materials systems. The utilization of nanoindentation into more complex systems requires the incorporation of the peculiarities of the constitutive relations of the material characteristics and geometrical details into the analysis. This thesis deals with the computational (finite element) modeling of nanoindentation on a variety of emerging materials systems. The three material types studied herein are: (a) auxetic, (b) hard thin films, and (c) cohesive-frictional solids. Auxetics are materials that possess a negative Poisson’s ratio and exhibit the counter-intuitive response of expanding laterally when stretched. This intriguing response provides auxetic systems several augmented characteristics among of which is an enhancement in indentation resistance. Hard thin films are nowadays widely used as protective coatings from mechanical/contact loads or corrosive environments or for additional functionalities like sensing capabilities or biocompatibility. Cohesive-frictional materials are solids with a pressure-sensitive yield criterion. Several important materials fall within this category among them cement-based composites (the most widely used solids on earth), shales (the material in which the majority of hydrocarbon resources is stored) and bulk metallic glasses (one of the most promising advanced metals with enhanced strength and ductility characteristics). The focus of this thesis is twofold: On one hand it aims in deciphering the underlying physics of these materials systems when indented by rigid probes and on the other hand to develop the necessary framework for experimentalists to properly interpret the obtained data, plan their experimental protocol accordingly or develop strategies for material optimization. | Description: | Η τεχνική της νανοδιείσδυσης ή νανοσκληρομέτρησης έχει εξελιχθεί σε ένα απαραίτητο εργαλείο μηχανικού χαρακτηρισμού υλικών σε μικρή κλίμακα. Με τη χρήση της συγκεκριμένης δοκιμής, μπορούν να προσδιοριστούν διάφορες μηχανικές ιδιότητες, οι συνηθέστερες εκ των οποίων είναι το μέτρο ελαστικότητας του Young και η σκληρότητα. Πέρα από τη δυνατότητα μηχανικού χαρακτηρισμού υλικών στη νανοκλίμακα, σημαντικότερο είναι το γεγονός ότι η συγκεκριμένη τεχνική παρέχει μία άνευ προηγουμένου πρόσβαση στη θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής των στερεών υλικών. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την ακριβέστερη κατανόηση των μηχανισμών στους οποίους εδράζει η μακροσκοπική μηχανική απόκριση των υλικών και δίδει τη δυνατότητα σε επιστήμονες και μηχανικούς υλικών στο να αναπτύξουν μοντέλα και διαδικασίες για στοχευμένη σύνθεση υλικών για συγκεκριμένες εφαρμογές. Η δυνατότητα αυτή πυροδότησε την ευρεία χρήση της τεχνικής νανοδιείσδυσης σε σχεδόν όλα τα συστήματα υλικών: μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή, σύνθετα, βιοϋλικά, λεπτά υμένια, κλπ. Ωστόσο, πρέπει να επισημανθεί ότι ενώ το αρχικό πλαίσιο ανάλυσης δεδομένων αναπτύχθηκε για μέταλλα, αυτό δεν είναι απαραιτήτως κατάλληλο για άλλα συστήματα υλικών. Η χρήση της τεχνικής σε πιο πολύπλοκα συστήματα απαιτεί την ενσωμάτωση των ιδιαιτεροτήτων των καταστατικών εξισώσεων των υλικών και τις ιδιαιτερότητες των γεωμετρικών τους στοιχείων στην ανάλυση. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την υπολογιστική μοντελοποίηση της νανοσκληρομέτρησης σε μια ποικιλία αναδυόμενων συστημάτων υλικών. Στόχο αποτελεί, αφενός η κατανόηση της φυσικής συγκεκριμένων συστημάτων όταν αυτά υπόκεινται σε φορτία επαφής και αφετέρου η ανάπτυξη του αναγκαίου πλαισίου για πειραματικούς ερευνητές για ορθή ερμηνεία των μηχανικών δεδομένων ή ακόμα και για σωστό προγραμματισμό του πειραματικού πρωτοκόλλου. Τα συστήματα που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν: (α) αυξητικά υλικά, (β) σκληρά λεπτά υμένια, και (γ) υλικά με συνοχή και εσωτερική τριβή. Αυξητικά είναι τα υλικά που διαθέτουν αρνητικό λόγο Poisson και επιδεικνύουν την αντισυμβατική συμπεριφορά του να επεκτείνονται πλευρικά όταν εφελκύονται. Αυτή η ενδιαφέρουσα απόκριση τους προσδίδει βελτιωμένα χαρακτηριστικά εν σχέση με τα μη-αυξητικά υλικά, ανάμεσα των οποίων είναι και η ενισχυμένη αντίσταση στη διείσδυση. Τα σκληρά λεπτά υμένια χρησιμοποιούνται ευρέως ως προστατευτικές επικαλύψεις από μηχανικά φορτία ή διαβρωτικά περιβάλλοντα ή για πρόσθετες λειτουργίες, όπως ικανότητες αίσθησης και βιοσυμβατότητα. Τα υλικά με συνοχή και εσωτερική τριβή είναι στερεά με κριτήριο διαρροής εξαρτώμενο από την υδροστατική πίεση. Αρκετά σημαντικά υλικά εμπίπτουν στην κατηγορία αυτή, ανάμεσά τους τα υλικά με βάση το τσιμέντο (τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα στερεά στη γη), σχιστόλιθοι (υλικό στο οποίο είναι αποθηκευμένη η πλειονότητα των υδρογονανθράκων) και μεταλλικοί ύαλοι (ένα από τα πιο υποσχόμενα προηγμένα μέταλλα με ενισχυμένη αντοχή όσο και ολκιμότητα). | URI: | https://hdl.handle.net/20.500.14279/18834 | Rights: | Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κάτοχου των πνευματικών δικαιωμάτων. | Type: | PhD Thesis | Affiliation: | Cyprus University of Technology |
Εμφανίζεται στις συλλογές: | Διδακτορικές Διατριβές/ PhD Theses |
Αρχεία σε αυτό το τεκμήριο:
Αρχείο | Περιγραφή | Μέγεθος | Μορφότυπος | |
---|---|---|---|---|
Demetris Photiou.pdf | Fulltext | 8.63 MB | Adobe PDF | Δείτε/ Ανοίξτε |
CORE Recommender
Page view(s) 50
356
Last Week
0
0
Last month
10
10
checked on 28 Αυγ 2024
Download(s) 1
274
checked on 28 Αυγ 2024
Google ScholarTM
Check
Αυτό το τεκμήριο προστατεύεται από άδεια Άδεια Creative Commons