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《天津大学》 2004年
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微尺度多层膜力学响应的有限元分析

成广庆  
【摘要】:在基体表面镀膜或涂层能有效增强材料结构表面性能,从而满足工程实际需要。多层膜的周期性结构,使它显示出奇特的力学、电学、磁学、光学特性,由于各层之间的相互影响,使整个多层膜系统的物理性质不同于组成它的单种材料的特性。在实际的应用中表面多层膜体系也往往显示出更多的优势。因此对薄膜-基体复合材料的研究就有着重要的意义。在对多层膜的实验研究中,纳米硬度实验是一种重要的研究手段,但是目前还存在着误差比较大、结果比较分散的问题。 本文主要通过对纳米硬度实验的模拟,对多层膜在压头压入情况下的应力应变响应进行了计算模拟,将三维的Vickers压头简化成二维的夹角136°的楔形压头,简化成了一个平面应变问题,并假设压头是刚性的,而膜体材料和基体材料假设成是各向同性的理想弹塑性材料,并遵循Mises屈服条件,压头与膜层的接触考虑摩擦。由于这是个物理非线性和边界条件非线性的问题,所以采用了增量迭代计算方法。并在FEPG有限元自动生成系统平台上,自行编制了符合本文需要的计算程序。最后利用该模型和程序进行了以下计算研究: 1、本文分析了膜层中软膜的材料差异对膜层应力的影响,软层材料分别选为Al和Ti时,得到当软膜在上时,较软的Al膜能够更好的分散上面传下来的力,起到较好的缓冲作用;当软膜在下时,较软的Al膜由于不能给上面的硬膜提供更好的支持,所以导致界面上的x方向的应力较大,容易引起纵向裂纹的扩展。 2、本文分析了膜层厚度一定的情况下,软硬膜厚度比对膜层应力的影响。软膜与硬膜的厚度比分别为1:2、1:1和2:1,得到在下层的薄膜中,增厚软的膜层可以更平均的分配压力,降低膜层中的应力和缓解界面上的剪应力;对于靠近表面的膜层来说,增厚软膜层将会使薄膜表面的硬度降低,增大薄膜表面的张应力,容易引起表面纵向裂纹的扩展。 3、本文分析了多层膜层数对多层膜应力场的影响,发现增大膜层的层数能够很好的保护基底,降低膜层与基底界面上的应力,减小膜层中的张应力。但是对于薄膜表层,则由于增大膜层层数,使得膜层表面的硬层变薄,导致表面硬度降低,引起膜层表面在压头压入时变形加剧,张应力变大,容易引起纵向裂纹的扩展;同时也使接近表面的软膜塑性应变加大,容易产生裂纹和剥落。 4、利用本文所编制的计算程序,对纳米硬度实验进行了计算模拟,得出在 WP=4 对TiN/Ti六层膜进行纳米硬度实验时,由于要得到膜层的硬度值,所以压入深度相对于膜层组分层厚度应该大于23%;在对TiN单层膜进行纳米硬度实验时,由于要避免基底进入塑性,因此对于单层膜的纳米硬度测试,压头的压入深度相对于膜层厚度应该小于1/5。 最后依据上面的结果,提出梯度变化的多层膜能够更好的改善膜层中的应力场,并指出了多层膜未来研究的一个方向。同时本文也对多层膜和单层膜纳米硬度实验中压头的压入深度相对于膜层组分厚度的大小进行了探讨。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TG174

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