薄膜力学性能课件.ppt

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1、第四章薄膜力学性能部分1第四章薄膜的力学性能4.1薄膜的弹性性能4.2薄膜的残余应力4.3薄膜的断裂韧性4.4薄膜的硬度4.5薄膜的摩擦、磨损和磨蚀2定义用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成一层具有一定厚度(小于)的不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。3分类脆性基底脆性薄膜脆性基底韧性薄膜韧性基底脆性薄膜韧性基底韧性薄膜按力学性质分类44.1薄膜的弹性性能一、薄膜的弹性常数弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不同于同组分的大块材料。5三点弯曲

2、如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，两支点的跨距为，载荷增量与中心挠度增量的关系为为薄板抗弯刚度。(4.1)6单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度为式中和分别是基体部分和薄膜部分对轴的惯性矩，实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。(4.2)(4.3)7压痕法纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果为这里

3、，为压头的纵向位移，为试验载荷曲线的薄膜材料刚度，是压头的接触面积。(4.4)8为约化弹性模量其中的、、、分别为被测薄膜和压头的弹性模量和泊松比。被测试材料的硬度值定义为当、和确定后，可利用式(4.4)、(4.5)和(4.6)分别求出薄膜的弹性模量和硬度值。(4.5)(4.6)9二、薄膜的应力应变关系1.拉伸法基体和薄膜的应力应变关系均满足：其中，和分别表示外加载荷和横截面积，下标和分别表示基体和薄膜的相关量。(4.7)(4.8)10基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷作用下，分别加载在基体和薄膜上在拉伸过程中，基体和薄膜没有剥落

4、前，两者的变形一致根据(4.7)、(4.8)、(4.9)和(4.10)，得到(4.9)(4.10)(4.11)(4.12)112.压痕法对于大多数纯金属和合金材料来说，它们本身服从幂指数强化模型。当时，流动应力也可表示成如下形式式中，是超过屈服应变的总的有效应变。表示应力，定义为时的流动应力，表示应变。(4.13)(4.14)12图1幂指数应力－应变关系图如何将压痕曲线与应力应变关系联系起来？13在压痕测试过程中，加载载荷不断增大，一旦材料发生屈服，外载可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏模量、泊松比,压头的杨氏模量、泊松比，屈服强

5、度，硬化指数，压痕深度以及压头半径。故可表示为(4.15)用约化杨氏模量即简化上式，得(4.16)亦可写为(4.17)14对(4.17)式进行量纲分析，得给定和，式(4.18)可化为(4.18)(4.19)无量纲函数的表达式为(4.21)详细推导过程见流程图2。式中，系数C1，C2，C3，C4是与hg/R值相关量，详见表4.1。15表4.1式(4.21)中对应于hg/R的系数16图2根据p-h曲线确定应力－应变关系的流程图174.2薄膜的残余应力一、残余应力的来源通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种。热应力是由于薄膜和基

6、底材料热膨胀系数的差异引起的，所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为根据Hooke’s定律，应力为(4.22)(4.23)18薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内应力由Hoffman的晶界松弛模型得到式中为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数，为由于薄膜和基底晶格常数失配引起的薄膜晶格常数的变化，为晶界松弛距离，为晶体尺寸。(4.24)19二、残余应力的测量1.Stoney公式在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反映了薄膜残

7、余应力的大小，Stoney给出了二者之间的关系式中下标和分别对应于薄膜和基底，为厚度，为曲率半径，和分别是基底的弹性模量和泊松比。(4.26)20Stoney公式广泛应用于计算薄膜的残余应力，但使用时应明确该公式的适用范围，Stoney公式采取了如下假设(1)即薄膜厚度远小于基低厚度。这一条件通常都能被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。(2)即基底与薄膜的弹性模量相近。(3)基底材料是均质的、各向同性的、线弹性的，且基底初始状态没有挠曲。(4)薄膜材料是各向同性的，薄膜残余应力为双轴应力。(5)薄膜残余应力沿厚度方向均匀分布

8、。(6)小变形，并且薄膜边缘部分对应力的影响非常微小。212.多层薄膜的情形这种情况下，尽管薄膜有很多层，但与基底的厚度相比，薄膜的总厚度还是非常小，仍然满足Stoney公式的第一条假设。对于层薄膜Stoney公式化为如下形式式中下标