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薄膜/基体系统三维压痕实验力学模型研究

张科  
【摘要】: 本论文依据Reissner板理论,研究薄膜/基体系统压痕实验中的弹性基体上的薄膜圆形脱层屈曲问题。在薄膜脱层半径与厚度比值比较小时,采用中厚板理论,考虑剪切变形对薄膜屈曲的影响。在薄膜边界处采用耦合的线弹簧模拟弹性基体变形的影响。基于有限元数值计算结果,拟合给出薄膜/基体界面裂纹的应力强度因子公式。 基于建立的力学分析模型,采用打靶法求解非线性后屈曲问题,得到圆形薄膜屈曲的临界应力、能量释放率和相位角。并与经典圆板理论的相关结果进行对比,结果发现,当脱层尺寸与厚度比值小于10时,应当采用考虑剪切变形的Reissner板理论。文中还给出了临界屈曲应力的半经验公式,可以方便求解。 针对脆性薄膜在压痕实验中常出现压头附近区域被压碎受损的情况,本文提出基于Reissner板理论的环形板力学分析模型,研究薄膜的后屈曲行为,综合考虑剪切变形、基体变形和环形板内径对薄膜脱层屈曲的影响。结果表明,脆性薄膜被压头压碎部分对结果的影响很大,其中的能量释放率数值与圆板理论得到的值相比,最大的将近有1个量级的差别。因此,为了得到更合理的求解结果,必须考虑环形脱层内径尺寸的影响。


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