金屬薄膜材料界面結(jié)合能的表征及界面失效分析.pdf

1、隨著社會的發(fā)展，新材料不斷的被研發(fā)和使用。薄膜材料以其特殊的結(jié)構(gòu)和功能而被廣泛的應用，但是在工程實際應用中復雜的使用環(huán)境將導致薄膜材料破壞失效，其中界面開裂失效是薄膜材料失效的一種重要形式。薄膜材料界面結(jié)合性能主要由界面結(jié)合能表征，但是測量薄膜材料界面結(jié)合能時比較困難且精度不高。因此，簡單精確測定薄膜材料的界面結(jié)合能很有必要。當薄膜材料界面結(jié)合能較小時，薄膜材料在變形過程中界面將會出現(xiàn)破壞失效，因此研究界面結(jié)合能對材料變形的影響具有重要

2、意義。本論文首先運用有限元模擬薄膜材料的整個變形過程，其次通過鼓包模型得到薄膜材料界面結(jié)合能的表達式，最終分析了材料加工變形過程中加工參數(shù)的選擇對界面性能的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)基于有限元ABAQUS中擴展有限元模塊和內(nèi)聚力模塊的薄膜材料變形模擬。選用擴展有限元模塊模擬薄膜變形產(chǎn)生表面裂紋及其擴展，選用內(nèi)聚力模塊模擬變形過程中界面裂紋的萌生及擴展。通過提取模擬過程中相應參數(shù)(表面損傷系數(shù)、界面損傷系數(shù))分析薄膜

3、材料變形破壞過程。模擬過程中通過擴展有限元模塊和內(nèi)聚力模塊的運用可以真實的反應薄膜材料變形破壞過程。
　　(2)基于鼓包模型的薄膜材料界面結(jié)合能表達式的建立。建立二維和三維的鼓包模型，其中界面選用內(nèi)聚力模型表征。首先選定鼓包過程的孔徑并對不同界面結(jié)合能下的模型進行模擬，其次改變鼓包過程的孔徑并重復模擬過程，最后將得到的數(shù)據(jù)進行分析處理得到界面結(jié)合能的表達式。建立的表達式具有形式簡單(未知量為臨界壓強、臨界撓度、鼓包孔徑)、未知量測

4、量方便等優(yōu)點。最終通過鼓包實驗進行了驗證。
　　(3)界面結(jié)合能對薄膜材料變形的影響。在相同界面結(jié)合能下對不同凹模半徑及摩擦系數(shù)進行沖壓模擬，并提取得到界面損傷系數(shù)。通過分析界面損傷系數(shù)的變化研究加工工藝參數(shù)對界面性能的影響。通過模擬得到在相同界面結(jié)合能下，增大凹模倒角半徑及減小摩擦系數(shù)可以減小界面的損傷。同時變形過程中薄膜表面產(chǎn)生的裂紋將加劇界面的破壞。在相同界面結(jié)合能下增加凹模倒角半徑及減小摩擦系數(shù)可以提高材料沖壓成品率。