金属基底上薄膜力学性能测试方法i：弹性膜（可编辑）

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1、金属基底上薄膜力学性能测试方法I：弹性膜金属基底上薄膜力学性能测试方法I：弹性膜#原文娟，宿彦京**5101520（北京科技大学腐蚀与防护中心环境断裂重点实验室，北京100083）摘要：本文利用金属材料在往复变形过程中流变应力不变的原理，提出了通过带膜和无膜试样屈服应力和流变应力差值法测量金属基底上薄膜残余应力的方法，并用有限元模拟检验了该方法的有效性。通过实验测量了黄铜在Mattsson溶液中形成的腐蚀产物膜的残余应力，检验了所提出方法的一致性。关键词：有限元；残余应力；腐蚀产物膜；电镀膜中图分类号：TG172.9Anovelmethodtomeasurethemec

2、hanicalpropertiesinacorrosionfilmformedonmetallicsubstratesI:ElasticfilmYUANWenjuan,SUYanjingCorrosionandProtectionCenterKeyLaboratoryforEnvironmentalFractureMOE,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083Abstract:Thispapertheoreticallyproposedaseriesofformulaeforanoveltensiletes

3、tingmethodtoextracttheresidualstressinthesurfacefilmonmetallicsubstrates.Finiteelementcalculationswereconductedtoverifytheaccuracyandreliabilityoftheproposedformulae.Fromthetensilestress-straincurvesofmetallicsubstrateswithandwithoutasurfacefilm,onecanevaluatetheresidualstressinthefilmusin

4、gtheseformulae.AtarnishfilmonabrasssubstrateformedafterimmersioninMattsson’ssolutionwastestedtodemonstratethesemethods.Keywords:Finiteelementmethod;residualstress;corrosionproductfilms;electrodepositionfilm250引言薄膜残余应力是影响薄膜力学性能的重要参量。因此，人们发展了许多测量薄膜残余应力的实验方法，包括X射线衍射和电子衍射技术[1-3]，以及弯曲实验方法[4-6]等

5、。但这两种方法有一定的局限性和误差，因此需要一个新方法来测量膜内的残余应力。30金属中塑性变形是通过位错的运动进行的。当外应力大于材料的屈服强度时，位错形成并且运动，从而发生永久性的塑性变形。位错密度随材料外加应力的增大而增大[7]，导致材料的应变硬化现象。颈缩前，金属的塑性应变（f）与流变应力（?f）之间的关系可以表示为：?fK?n135式中K为强度系数；n为应变硬化指数。根据公式（1）可以看出，金属材料的流变应力只与塑性应变有关。金属材料加载至超过屈服强度?Y后卸载，则原子键恢复到初始状态，但是仍留有塑性应变，如图1所示。因此，卸载过程中对应于流变应力f的总应变为

6、fplel（el?fE，E为杨氏模量）。当试样再次加载时，只有当外加应力达到卸载时的流变应力时，位错才再次运动。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20090006110011）作者简介：原文娟，（1983-），女，博士研究生，主要从事材料力学性能和应力腐蚀的研究。通信联系人：宿彦京，（1965-），男，教授，主要从事应力腐蚀和氢脆方面的研究。E-mail:yjsu@-1-40455055在反复加载-卸载的过程中，应力应变曲线也符合上述规律，如图1（a）所示。图1（a）H62黄铜加载-卸载循环的应力应变曲线;（b）带膜与无膜H62黄铜的应力应变曲线Fig

7、.1Thestress-straincurvesfortheload-unloadcycleofanH62-brassstripwithoutasurfacefilmaandthestress-straincurvesofanH62-brassstripwithoutandwithasurfacefilmb.当在金属基体上生长薄膜后，由于晶格的失配或缺陷会导致膜内产生残余应力rfilm。根据受力平衡，此时在基体中也会产生一个反号的平衡应力?bsub。当拉伸带膜金属基体时，sub基体的应力应变曲线发生了变化，如图1（