微尺度薄膜力學(xué)響應(yīng)的有限元分析.pdf

1、薄膜-基體復(fù)合材料在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因而，材料表面改性和薄膜材料成為近年來材料科學(xué)的一個重要發(fā)展新方面，對其進(jìn)行研究具有重要的意義。但是薄膜與基底的良好結(jié)合是薄膜得以發(fā)揮其作用的基本條件。膜基結(jié)合強(qiáng)度是評價薄膜質(zhì)量最關(guān)鍵的指標(biāo)，是保證薄膜滿足機(jī)械、物理和化學(xué)等使用性能的基本前提。 薄膜脫落的主要原因是由于在法向力和切向力共同作用下，膜層內(nèi)部的塑性變形積累產(chǎn)生的裂紋所引起的，過大的界面應(yīng)力是造成薄膜脫落的主要因素，目前主

2、要用劃痕法定量的測量膜基的結(jié)合力，由于作用較為復(fù)雜，很難建立相應(yīng)的力學(xué)模型。 本文參考劃痕法的試驗過程以及前輩們的工作成果，建立一種新的分析薄膜界面應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的力學(xué)模型，即模仿劃痕實驗過程中剛開始的運(yùn)動情況，先施加一定的法向力，使壓頭與薄膜接觸，再同時施加法向力和切向力，使壓頭對薄膜產(chǎn)生一個向右運(yùn)動的作用。 本文計算模型簡化成了一個平面應(yīng)變問題，把三維的Vickers壓頭簡化成二維的夾角136°的楔形壓頭，并假設(shè)壓頭是

3、剛性的，材料假設(shè)成各向同性的理想彈塑性材料，并遵循Mises屈服條件，壓頭與膜層的接觸考慮摩擦。 本文在FEPG有限元自動生成系統(tǒng)平臺上，自行編制了符合本文需要的計算程序，由于這是一個非線性問題，所以采用了增量迭代計算方法。 本文利用該模型計算了TiN薄膜在不同基底材料上，同基底不同厚度膜層和不同法向力作用情況下的應(yīng)力場分布，表明TiN薄膜應(yīng)力與基底材料、薄膜厚度、法向力大小等因素有關(guān)，計算結(jié)果為劃痕法的理論分析提供了參

4、考依據(jù)。 覆層膜在長時間使用過程中，在膜層內(nèi)尤其是在界面處容易出現(xiàn)因工作疲勞引起的裂紋，另外，在膜的制備過程中也會產(chǎn)生微小的裂紋，裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致膜層的脫落是致使膜層體完全失效的主要形式之一，評價一種覆層膜的好壞，還應(yīng)考慮覆層-界面間的裂紋的擴(kuò)展情況。因此，本文用計算模型分析了裂紋長度不同對TiN/HSS薄膜的影響和裂紋寬度不同對TiN/HSS薄膜的影響，以及裂紋位置不同對TiN/Au/HSS雙層膜的影響，表明薄膜應(yīng)力與裂紋有關(guān)。