本课题是国家自然科学基金项目(50845065)、内蒙古教育科研基金项目(NJ06077)和内蒙古自然科学基金项目(2009MS0812)的一部分。主要目的是通过有限元(FEM)仿真纳米压痕测量过程来了解Ti-Si-N超硬纳米复合表面的力学性能,包括应力-应变关系、屈服极限等。在此研究过程中,提出了一种通过有限元仿真确认材料屈服极限的方法。采用该方法研究了TiN和Ti-Si-N的力学性能。在此研究项目中,我们采用了ABAQUS有限元软件对TiN和Ti-Si-N表面的纳米压痕测量过程进行了仿真,对测量得到的载荷-位移曲线进行了拟合,拟合过程包括以下几个步骤:(1)从测量得到的载荷-位移实验曲线中提取对应数据;(2)通过计算获得材料的应力-应变数据;(3)有限元仿真模型的建立:几何模型包括压头和被测材料,压头使用的是和实验相对应的Berkovich压头,材料是TiN和Ti-Si-N;把计算得到的应力-应变数据作为材料的性质输入有限元仿真程序中;定义载荷步和施加边界条件,进行求解;(4)采用不同的屈服极限进行有限元仿真,从仿真结果中找出与测量结果相近似的载荷-位移曲线,从而确定屈服极限值;(5)采用所确定的屈服极限和不同的应变值,再进行有限元仿真,进一步拟合测量结果,最终确定适当的应变值。采用以上方法在对TiN和Ti-Si-N的有限元仿真中,拟合测量曲线,取得了比较好的结果。在完成方法开发后,通过对比分析TiN表面和Ti-Si-N纳米复合表面的应力-应变、等效塑性应变曲线和硬度计算,最终确定TiN的屈服极限约是12GPa,而Ti-Si-N的屈服极限高达24GPa。由此可以得出结论:Ti-Si-N纳米复合表面的强度明显优于TiN表面。研究结果表明,采用纳米压痕法测量实验只能得到关于材料弹性性质的一些参数,而通过有限元仿真去拟合纳米压痕测量的载荷-位移曲线可以得到材料的塑性性质(应力-应变和屈服极限),所以本方法对微小体积材料塑性性能的确定有一定的应用价值。