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二维压痕脱层实验中的压痕应力研究

作　者: 姚利盼
导　师: 赵明皞
学　校: 郑州大学
专　业: 固体力学
关键词: 薄膜加载压痕应力卸载压痕应力临界压入深度能量释放率微/纳米压痕
分类号: TB302.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文对微楔形压头作用下的薄膜／基体脱层实验进行应力分析,采用有限元法研究了不同楔形角、压入深度、薄膜厚度、脱层尺寸、杨氏模量和屈服强度对压痕应力的影响。分析了压头作用和压头移除后的膜中应力,这两种应力分别为加载压痕应力和卸载压痕应力。论文主要工作如下：1)对于薄膜为理想弹塑性材料,根据有限元计算结果,由压痕应力值随压入深度的变化曲线,拟合给出加载压痕应力和卸载压痕应力的解析解公式。研究发现,在压痕应力-压入深度关系中存在一个临界压入深度,当压入深度小于临界压入深度时,薄膜中的压痕应力是压入深度的二次函数,但当压入深度大于这一临界值时,压痕应力为一常数。基于新的压痕应力公式,计算给出脱层界面裂纹的能量释放率。2)在理想弹塑性模型的基础上,考虑薄膜为双线性应力强化材料的情形,研究强化系数的影响,计算并拟合给出加载压痕应力随各参数变化的半解析解公式。研究了含残余应力的影响。3)对于薄膜为理想弹塑性等厚双层膜,在单层膜的基础上,数值计算上下等厚薄膜弹性错配系数α分别为-0.5和0.5的情况,得出不同参数下的压痕应力值。参考单层膜拟合给出适用于理想弹塑性等厚双层膜的压痕应力解析式。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
1 引言  10-14
  1.1 选题意义  10
  1.2 薄膜/基体系统压痕法研究现状  10-12
  1.3 论文主要工作概述  12-14
2 理想弹塑性薄膜的压痕应力研究  14-39
  2.1 薄膜/基体系统的力学模型  14-19
    2.1.1 无屈曲分析  17-18
    2.1.2 双屈曲分析  18
    2.1.3 单屈曲分析  18-19
  2.2 薄膜/基体系统的有限元分析  19-25
    2.2.1 薄膜/基体系统的模型简化  19-21
    2.2.2 薄膜/基体系统的有限元模型及结果  21-23
    2.2.3 压痕缺口分析  23-25
  2.3 理想弹塑性薄膜加载压痕应力  25-30
    2.3.1 压痕应力σ_(IL)有限元值  25-27
    2.3.2 压痕应力σ_(IL)拟合分析  27-28
    2.3.3 有限元值σ_(IL)与拟合值的对比  28-30
  2.4 理想弹塑性薄膜卸载压痕应力  30-36
    2.4.1 压痕应力σ_(IU)有限元值  30-33
    2.4.2 压痕应力σ_(IU)拟合分析  33
    2.4.3 有限元值σ_(IU)与拟合值的对比  33-36
    2.4.4 Gerberich压痕应力与拟合值的对比  36
  2.5 能量释放率  36-38
  2.6 本章小结  38-39
3 双线性强化薄膜的压痕应力研究  39-59
  3.1 薄膜/基体系统的力学模型  39
  3.2 薄膜/基体系统的有限元模型  39-41
  3.3 双线性强化加载压痕应力  41-48
    3.3.1 压痕应力σ_(IL)有限元值  41-44
    3.3.2 压痕应力σ_(IL)拟合分析  44-45
    3.3.3 有限元值σ_(IL)与拟合值的对比  45-47
    3.3.4 Gerberich压痕应力与拟合值的对比  47-48
  3.4 双线性强化卸载压痕应力  48-56
    3.4.1 压痕应力σ_(IU)有限元值  48-50
    3.4.2 压痕应力σ_(IU)拟合分析  50-54
    3.4.3 有限元值σ_(IU)与拟合值的对比  54-56
  3.5 残余应力的影响  56-58
  3.6 本章小结  58-59
4 双层理想弹塑性薄膜的压痕应力研究  59-72
  4.1 双层薄膜/基体系统的力学模型  59-62
    4.1.1 双层薄膜/基体系统的简化模型  59-60
    4.1.2 双层薄膜/基体系统的有限元模型及结果  60-62
  4.2 双层等厚理想弹塑性膜的压痕应力  62-71
    4.2.1 双层膜压痕应力σ_(IL)有限元值  62-67
    4.2.2 双层膜有限元值σ_(IL)与拟合值对比  67-71
  4.3 本章小结  71-72
5 结论及展望  72-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
个人简历、在校期间发表的学术论文及研究成果  78

二维压痕脱层实验中的压痕应力研究

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