微壓痕實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬.pdf

1、薄膜材料在微電子、微機(jī)電制造、光學(xué)等高新領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，然而測(cè)定薄膜材料力學(xué)性能的方法還不成熟。如何準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單地表征薄膜材料力學(xué)特性是固體力學(xué)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于傳統(tǒng)壓痕實(shí)驗(yàn)的微壓痕實(shí)驗(yàn)技術(shù)迅速發(fā)展，通過(guò)微壓痕實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以研究薄膜材料在微小幾何尺寸下的力學(xué)特性。但是微壓痕實(shí)驗(yàn)是一種間接的方法，而且實(shí)驗(yàn)成本較大、易受外界環(huán)境影響，同時(shí)薄膜材料性能容易受到基體材料影響，不容易得到精確的結(jié)果。CAE技

2、術(shù)的發(fā)展為微壓痕實(shí)驗(yàn)提供了新的研究方法——計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。采用計(jì)算機(jī)模擬可以減小或避免上述問(wèn)題，因此利用CAE技術(shù)來(lái)數(shù)值模擬微壓痕實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)代固體力學(xué)、材料力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。本文利用CAE數(shù)值模擬技術(shù)，模擬了均勻材料(銅)和FGM(functionally graded material)材料單次和二次加載的微壓痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程。首先建立了模擬實(shí)驗(yàn)所采用的有限元模型(單元大小、類型、材料常數(shù)等)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，然后

3、采用上述模型，模擬梯度材料(FGM)的單次和二次加載微壓痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最后利用一個(gè)簡(jiǎn)單模型初步考慮了材料的表面粗糙度對(duì)微壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，得到了以下主要結(jié)論： 1.建立了微壓痕實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)模擬所采用的有限元模型。本文首先利用微壓痕實(shí)驗(yàn)儀對(duì)銅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了單次和二次加載的荷載—壓入深度曲線、硬度(Hu)。然后用商用有限元軟件Marc模擬銅的單次和二次加載，得到了被測(cè)材料的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)和荷載—壓入深度曲線，以及不同荷載深度

4、下平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線等數(shù)據(jù)。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定了數(shù)值模擬所用的單元大小(合理的單元大小是最小單元90nm)、單元類型(軸對(duì)稱四邊形單元)以及計(jì)算的合理精度。模擬得到的彈性模量比實(shí)驗(yàn)測(cè)定的彈性模量稍大，廣義硬度(Hu)近似等于銅的硬度，而且計(jì)算測(cè)得的荷載—壓入深度曲線，平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線等數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)值誤差在5％以內(nèi)，因此有限元模型的精確性和可行性得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。另外，得到的不同初始?jí)喝肷?/p>

5、度下的平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線重合性很好，表明對(duì)于均勻材料，平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線是不隨初始?jí)喝肷疃茸兓兓摹Ｔ撉€存在明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)在0.2附近，而且在拐點(diǎn)后曲線趨于水平。 2.利用前面得到的數(shù)值模型，對(duì)兩種梯度材料微壓痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬。一種梯度材料(FGM-A)是彈性模量E、屈服應(yīng)力σs隨深度的梯度增加，取10層薄膜依次遞增。另一種梯度材料(FGM-B)是彈性模量E、屈服應(yīng)力σs隨深度的梯度減少，取10層薄

6、膜依次遞減。通過(guò)對(duì)這兩種材料的模擬，得到了荷載—壓入深度曲線和隨荷載變化的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)以及塑性區(qū)的演化。對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，得到了材料的硬度值以及平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線，其中平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線的拐點(diǎn)隨材料不同而不同。梯度材料的平均接觸應(yīng)力—相對(duì)深度曲線與銅的不同在于：在曲線拐點(diǎn)后，F(xiàn)GM-A是一條上升的曲線；而FGM-B是一條下降的曲線。改變梯度材料的彈性模量、屈服應(yīng)力(升高和下降)，得到這兩種梯度材料的平均接觸應(yīng)

7、力—相對(duì)深度曲線有以下規(guī)律：和對(duì)應(yīng)的梯度材料相比，在曲線拐點(diǎn)后，隨著彈性模量、屈服應(yīng)力的提高，該曲線末端會(huì)上升；隨著彈性模量、屈服應(yīng)力的降低，該曲線末端會(huì)下降。 3.為了研究材料的表面粗糙度對(duì)微壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本文采用了單一球形突起作為表面不平整的情況作數(shù)值模擬。采用和前面相同的單元大小和材料本構(gòu)模型(銅的本構(gòu)模型)，得到了材料荷載—壓入深度曲線，并進(jìn)而研究了材料的硬度和彈性模量。結(jié)果表明：和表面平整的均勻材料不同，荷載

8、—壓入深度曲線呈現(xiàn)明顯的階梯狀，大致可以分為三個(gè)階段：(i)形變快速增加階段，當(dāng)初始加載時(shí)，銅發(fā)生了較大變形，表現(xiàn)在荷載—位移圖上就是荷載變化不大，但是形變迅速增加；(ii)形變緩慢增加階段，隨著荷載的加大，形變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，在荷載—深度曲線表現(xiàn)為斜率較大的一條曲線，一直到加載結(jié)束；(iii)彈性形變回彈階段，隨著卸載開(kāi)始，和均勻材料的荷載—深度曲線相似，發(fā)生彈性回彈，彈性形變很小。同時(shí)研究了突起物大小對(duì)材料彈性模量和硬度的影響