薄膜力學(xué)性能

1、整理課件1第四章第四章 薄膜力學(xué)性能部分薄膜力學(xué)性能部分整理課件2第四章 薄膜的力學(xué)性能4.1 薄膜的彈性性能薄膜的彈性性能4.2 薄膜的殘余應(yīng)力薄膜的殘余應(yīng)力4.3 薄膜的斷裂韌性薄膜的斷裂韌性4.4 薄膜的硬度薄膜的硬度4.5 薄膜的摩擦薄膜的摩擦、磨損和磨蝕、磨損和磨蝕 整理課件3定 義 用物理的、化學(xué)的、或者其他方法，在用物理的、化學(xué)的、或者其他方法，在金屬或非金屬基體表面形成一層具有一定厚金屬或非金屬基體表面形成一層具有一定厚度度(小于小于 )的不同于基體材料且具有一定的不同于基體材料且具有一定的強(qiáng)化、防護(hù)或特殊功能的覆蓋層。的強(qiáng)化、防護(hù)或特殊功能的覆蓋層。m10整理課件4 分分 類

2、類脆性基底脆性基底脆性薄膜脆性薄膜脆性基底脆性基底韌韌性薄膜性薄膜韌性基底韌性基底脆性薄膜脆性薄膜韌性基底韌性基底韌性薄膜韌性薄膜按按 力力 學(xué)學(xué) 性質(zhì)分性質(zhì)分 類類整理課件54.1 薄膜的彈性性能一、薄膜的彈性常數(shù)一、薄膜的彈性常數(shù) 彈性模量彈性模量是材料最基本的力學(xué)性能參是材料最基本的力學(xué)性能參之一，由于之一，由于薄膜的某些本質(zhì)的不同之處，其彈性模量可能完全不薄膜的某些本質(zhì)的不同之處，其彈性模量可能完全不同于同組分的大塊材料。同于同組分的大塊材料。整理課件6三點彎曲 如圖所示，加載和撓度的測量均在兩支點中心位置，如圖所示，加載和撓度的測量均在兩支點中心位置，兩支點的跨距為兩支點的跨距為 ，

3、載荷增量，載荷增量 與中心撓度增量與中心撓度增量 的關(guān)系為的關(guān)系為 LFSLF348S為薄板抗彎剛度。為薄板抗彎剛度。 Lfshhz22shz 2shz0z(4.1)整理課件7單面鍍膜的膜基復(fù)合薄板的抗彎剛度單面鍍膜的膜基復(fù)合薄板的抗彎剛度 為為 SffssIEIES式中式中 和和 分別是基體部分和薄膜部分對分別是基體部分和薄膜部分對 軸的慣性矩，軸的慣性矩， sIfIzbdyyIsshhs222fsshhhfbdyyI222 實驗中測出載荷增量與中心撓度增量的關(guān)系曲線（近似實驗中測出載荷增量與中心撓度增量的關(guān)系曲線（近似線性），求出其斜率，用線性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗彎剛

4、度，若基式求出薄板的抗彎剛度，若基體彈性模量已知，則利用體彈性模量已知，則利用(4.2)式可求得薄膜的式可求得薄膜的彈性模量彈性模量。(4.2)(4.3)整理課件8壓痕法 納米壓痕技術(shù)可用以測定薄膜的硬度、彈性模量以納米壓痕技術(shù)可用以測定薄膜的硬度、彈性模量以及薄膜的蠕變行為等，其理論基礎(chǔ)是及薄膜的蠕變行為等，其理論基礎(chǔ)是SneddonSneddon關(guān)于軸對關(guān)于軸對稱壓頭載荷與壓頭深度之間的彈性解析分析，其結(jié)果為稱壓頭載荷與壓頭深度之間的彈性解析分析，其結(jié)果為AEdhdPSr2這里，這里， 為壓頭的縱向位移，為壓頭的縱向位移， 為試驗載荷曲線為試驗載荷曲線的薄膜材料剛度，的薄膜材料剛度， 是壓

5、頭的接觸面積。是壓頭的接觸面積。hdhdPS A(4.4)整理課件9為約化彈性模量為約化彈性模量rEiiffrEEE22111其中的其中的 、 、 、 分別為被測薄膜和壓頭的彈分別為被測薄膜和壓頭的彈性模量和泊松比。被測試材料的硬度值定義為性模量和泊松比。被測試材料的硬度值定義為iEfAPHmax當(dāng)當(dāng) 、 和和 確定后，可利用式確定后，可利用式(4.4)、(4.5)和和(4.6)分別求出薄膜的彈性模量和硬度值。分別求出薄膜的彈性模量和硬度值。AdhdPmaxP(4.5)(4.6)fEi整理課件10二、薄膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1. 拉伸法拉伸法基體和薄膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均滿足：基體和薄膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均

6、滿足： sssssSFGssss18fffffffffSFG18其中，其中， 和和 分別表示外加載荷和橫截面積，下標(biāo)分別表示外加載荷和橫截面積，下標(biāo) 和和 分別表示基體和薄膜的相關(guān)量。分別表示基體和薄膜的相關(guān)量。 FSsf(4.7)(4.8)整理課件11基體和薄膜作為一個整體的試件在外加載荷基體和薄膜作為一個整體的試件在外加載荷 作用下，作用下，分別加載在基體和薄膜上分別加載在基體和薄膜上 fsFFF在拉伸過程中，基體和薄膜沒有剝落前，兩者的變形一致在拉伸過程中，基體和薄膜沒有剝落前，兩者的變形一致 fs根據(jù)根據(jù)(4.7)、(4.8)、(4.9)和和(4.10)，得到得到 ffssSSF fs

7、sfSSFF(4.9)(4.10)(4.11)(4.12)整理課件122. 壓痕法壓痕法 對于大多數(shù)純金屬和合金材料來說，它們本身服從對于大多數(shù)純金屬和合金材料來說，它們本身服從冪指數(shù)強(qiáng)化模型。冪指數(shù)強(qiáng)化模型。 ynyKE當(dāng)當(dāng) 時，流動應(yīng)力也可表示成如下形式時，流動應(yīng)力也可表示成如下形式 ynfyyE1式中，式中， 是超過屈服應(yīng)變是超過屈服應(yīng)變 的總的有效應(yīng)變。的總的有效應(yīng)變。 表示表示應(yīng)力，定義為應(yīng)力，定義為 時的流動應(yīng)力，時的流動應(yīng)力， 表示應(yīng)變。表示應(yīng)變。fyrrfr(4.13)(4.14)整理課件13圖1 冪指數(shù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖如何將壓痕曲線與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系聯(lián)系起來？整理課件14在壓痕測試

8、過程中，加載載荷不斷增大，一旦材料發(fā)生在壓痕測試過程中，加載載荷不斷增大，一旦材料發(fā)生屈服，外載屈服，外載 可視為下列獨立參數(shù)的函數(shù)：材料的楊氏可視為下列獨立參數(shù)的函數(shù)：材料的楊氏模量模量 、泊松比、泊松比 , ,壓頭的楊氏模量壓頭的楊氏模量 、泊松比、泊松比 ， 屈屈服強(qiáng)度服強(qiáng)度 ，硬化指數(shù)，硬化指數(shù) ，壓痕深度以及壓頭半徑，壓痕深度以及壓頭半徑 。故故 可表示為可表示為PEiEiynRPhRnvEvEfPyii,(4.15)用約化楊氏模量用約化楊氏模量 即即 簡化上式，得簡化上式，得 rEhRnEfPyr,(4.16)亦可寫為亦可寫為 hRnEfPrr,(4.17)整理課件15對對(4.1

9、7)(4.17)式進(jìn)行量綱分析，得式進(jìn)行量綱分析，得 RhnEhPrrr,12給定給定 和和 ，式，式(4.18)(4.18)可化為可化為 (4.18)hRnEhPrrgrg,12(4.19)無量綱函數(shù)的表達(dá)式為無量綱函數(shù)的表達(dá)式為 4322311lnlnlnCECECECErrrrrrrr(4.21)詳細(xì)推導(dǎo)過程見流程圖詳細(xì)推導(dǎo)過程見流程圖2 2。式中，系數(shù)C1 ，C2 ，C3 ，C4 是與hg /R 值相關(guān)量，詳見表4.1。整理課件16表4.1 式(4.21)中對應(yīng)于hg /R 的系數(shù)整理課件17圖2 根據(jù)p-h 曲線確定應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的流程圖整理課件184.2 薄膜的殘余應(yīng)力一、殘余應(yīng)力的

10、來源一、殘余應(yīng)力的來源通常認(rèn)為，薄膜中的殘余應(yīng)力分為通常認(rèn)為，薄膜中的殘余應(yīng)力分為熱應(yīng)力熱應(yīng)力和和內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力兩種兩種 。熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于薄膜和基底材料熱膨脹系數(shù)的差異引起的，是由于薄膜和基底材料熱膨脹系數(shù)的差異引起的，所以也稱為熱失配應(yīng)力。所以也稱為熱失配應(yīng)力。熱應(yīng)力對應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)闊釕?yīng)力對應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)?dTTTsfth根據(jù)根據(jù)HookesHookes定律，應(yīng)力為定律，應(yīng)力為 thfthE1(4.22)(4.23)整理課件19 薄膜薄膜基底體系中由于晶格常數(shù)失配在薄膜中產(chǎn)生的內(nèi)基底體系中由于晶格常數(shù)失配在薄膜中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力由應(yīng)力由Hoffman的晶界松弛模型得到的晶界松弛模型得到gfff

11、fiLEaaxE11式中式中 為薄膜材料為無殘余應(yīng)力時的晶格常數(shù)，為薄膜材料為無殘余應(yīng)力時的晶格常數(shù)， 為由為由于薄膜和基底晶格常數(shù)失配引起的薄膜晶格常數(shù)的變化，于薄膜和基底晶格常數(shù)失配引起的薄膜晶格常數(shù)的變化， 為晶界松弛距離，為晶界松弛距離， 為晶體尺寸。為晶體尺寸。aax gL(4.24)整理課件20二、殘余應(yīng)力的測量1. Stoney公式公式 在薄膜殘余應(yīng)力的作用下，基底會發(fā)生撓曲，這在薄膜殘余應(yīng)力的作用下，基底會發(fā)生撓曲，這種變形盡管很微小，但通過激光干涉儀或者表面輪廓種變形盡管很微小，但通過激光干涉儀或者表面輪廓儀，能夠測量到撓曲的曲率半徑?；讚锨某潭确磧x，能夠測量到撓曲的曲率

12、半徑?；讚锨某潭确从沉吮∧堄鄳?yīng)力的大小，映了薄膜殘余應(yīng)力的大小，StoneyStoney給出了二者之間的給出了二者之間的關(guān)系關(guān)系fssfrttE612式中下標(biāo)式中下標(biāo) 和和 分別對應(yīng)于薄膜和基底，分別對應(yīng)于薄膜和基底， 為厚度，為厚度， 為曲率半徑，為曲率半徑， 和和 分別是基底的彈性模量和泊松比。分別是基底的彈性模量和泊松比。fstrE(4.26)整理課件21 Stoney公式廣泛應(yīng)用于計算薄膜的殘余應(yīng)力，但使用時公式廣泛應(yīng)用于計算薄膜的殘余應(yīng)力，但使用時應(yīng)明確該公式的適用范圍，應(yīng)明確該公式的適用范圍， StoneyStoney公式采取了如下公式采取了如下假設(shè)假設(shè)(1) 即薄膜厚度遠(yuǎn)小

13、于基低厚度。這一條件通常都即薄膜厚度遠(yuǎn)小于基低厚度。這一條件通常都能被滿足，實際情況下薄膜和基底厚度相差非常大。能被滿足，實際情況下薄膜和基底厚度相差非常大。(2) 即基底與薄膜的彈性模量相近。即基底與薄膜的彈性模量相近。(3) 基底材料是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的，且基底基底材料是均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的，且基底初始狀態(tài)沒有撓曲。初始狀態(tài)沒有撓曲。(4) 薄膜材料是各向同性的，薄膜殘余應(yīng)力為雙軸應(yīng)力。薄膜材料是各向同性的，薄膜殘余應(yīng)力為雙軸應(yīng)力。(5) 薄膜殘余應(yīng)力沿厚度方向均勻分布。薄膜殘余應(yīng)力沿厚度方向均勻分布。(6) 小變形，并且薄膜邊緣部分對應(yīng)力的影響非常微小小變形，并且薄膜邊

14、緣部分對應(yīng)力的影響非常微小。sfttsfEE整理課件222.多層薄膜的情形 這種情況下，盡管薄膜有很多層，但與基底的厚度相比，這種情況下，盡管薄膜有很多層，但與基底的厚度相比， 薄膜的總厚度還是非常小，仍然滿足薄膜的總厚度還是非常小，仍然滿足StoneyStoney公式的第一條假公式的第一條假設(shè)。對于設(shè)。對于 層薄膜層薄膜StoneyStoney公式化為如下形式公式化為如下形式nfnfnffffssnttttErrr 221122161111式中下標(biāo)式中下標(biāo)1 1，2 2，n n分別代表各層薄膜的編號，分別代表各層薄膜的編號， 為殘余應(yīng)為殘余應(yīng)力，其余字符的意義與式力，其余字符的意義與式(4.

15、26)相同。相同。(4.27)整理課件233. 薄膜厚度與基底可比時的情形 如圖所示如圖所示, , 和和 相差不大，采取圖中所示的柱坐標(biāo)系相差不大，采取圖中所示的柱坐標(biāo)系統(tǒng)，顯然，不為零的殘余應(yīng)力分量只有統(tǒng)，顯然，不為零的殘余應(yīng)力分量只有 和和 , ,相應(yīng)的彈性應(yīng)變能密度為相應(yīng)的彈性應(yīng)變能密度為stzr,zrzrzrzrEzrUrrrr,2,12,222其中其中 和和 為應(yīng)變分量為應(yīng)變分量 rr mrrrwzru (4.28)(4.29a)(4.29b)Rstzr,rrr z /mu rrzwrrftft式(4.29a)、(4.29b)中的 是失配度， u(r) 和 w(r) 代表基底中面的位

16、移。m整理課件24圖圖3 柱坐標(biāo)系下由于基底中面轉(zhuǎn)動引起的應(yīng)變柱坐標(biāo)系下由于基底中面轉(zhuǎn)動引起的應(yīng)變整理課件25小變形時小變形時 和和 分別為分別為 ru rw mrru0 22rrw 是基底中面的應(yīng)變，基底的曲率用是基底中面的應(yīng)變，基底的曲率用 表示。將式表示。將式(4.30)代入式代入式(4.29)，得到用得到用 和和 表示的應(yīng)變總能量表示的應(yīng)變總能量0rdrdzzrUVRtttsfs 0220,2,(4.30)(4.31)0整理課件26應(yīng)變能處于平衡狀態(tài)需滿足應(yīng)變能處于平衡狀態(tài)需滿足 ， 。即導(dǎo)出即導(dǎo)出 00V0V242461116mllllmllmtsm(4.32)其中其中 ，即薄膜與基

17、底的厚度比，即薄膜與基底的厚度比， 為為薄膜與基底的彈性模量比。當(dāng)薄膜與基底的彈性模量比。當(dāng) 時，式時，式(4.32)退化為退化為Stoney公式。公式。sfttl sfEEm 0lttsf整理課件274. 一級近似的薄膜應(yīng)力梯度分布一級近似的薄膜應(yīng)力梯度分布 實際上，薄膜應(yīng)力在厚度方向是有梯度的。通常，薄實際上，薄膜應(yīng)力在厚度方向是有梯度的。通常，薄膜的單軸應(yīng)力沿厚度方向的分布可用多項式表示為膜的單軸應(yīng)力沿厚度方向的分布可用多項式表示為 kkktotaltz02/其中其中 為厚度方向的坐標(biāo)，為厚度方向的坐標(biāo)， 為薄膜厚度。一般計算取為薄膜厚度。一般計算取 的情況的情況( (一級近似一級近似)

18、 ) zt1k102/tz式式(4.34)取加號時對應(yīng)拉應(yīng)力，取減號時對應(yīng)壓力。取加號時對應(yīng)拉應(yīng)力，取減號時對應(yīng)壓力。 (4.33)(4.34)整理課件28 X射線衍射法測定材料中的殘余應(yīng)力的原理是因為物射線衍射法測定材料中的殘余應(yīng)力的原理是因為物體內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，使得晶體的晶格常數(shù)發(fā)生彈性變體內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，使得晶體的晶格常數(shù)發(fā)生彈性變形，即晶面間距發(fā)生了變化。通過晶體的形，即晶面間距發(fā)生了變化。通過晶體的BraggBragg衍射衍射ndsin2反映在相應(yīng)于某一晶面族的衍射峰發(fā)生了位移。對于多晶反映在相應(yīng)于某一晶面族的衍射峰發(fā)生了位移。對于多晶材料，不同晶粒的同族晶面間距隨這些晶面相

19、對于應(yīng)力方材料，不同晶粒的同族晶面間距隨這些晶面相對于應(yīng)力方向的改變發(fā)生規(guī)則的變化。當(dāng)應(yīng)力方向平行于晶面時，晶向的改變發(fā)生規(guī)則的變化。當(dāng)應(yīng)力方向平行于晶面時，晶面間距最??；當(dāng)應(yīng)力方向與晶面垂直時，晶面間距最大。面間距最??；當(dāng)應(yīng)力方向與晶面垂直時，晶面間距最大。因此，只要測出不同方向上同族晶面的間距，根據(jù)彈性力因此，只要測出不同方向上同族晶面的間距，根據(jù)彈性力學(xué)原理就可計算出殘余應(yīng)力的大小。學(xué)原理就可計算出殘余應(yīng)力的大小。 (4.35)5. X射線衍射法整理課件29測定原理：用X射線測定應(yīng)力，被測材料必須是晶體,晶格可視為天然的光柵,X射線照到晶體上可產(chǎn)生衍射現(xiàn)象. sin2nd晶面間距d和入射

20、X射線波長:滿足關(guān)系式:X射線在晶體上衍射時衍射角:布拉格布拉格定律定律 布拉格布拉格角角 殘余應(yīng)力的X射線測定法整理課件30將布拉格方程微分可得到: cot/ dddd /2當(dāng)晶面間距因應(yīng)力而發(fā)生相對變化時，衍射角將隨之發(fā)生變化。所以只要測出試樣表面上某個衍射方向上某個晶面的衍射線位移量即可算出晶面間距的變化量，再根據(jù)彈性力學(xué)定律計算出該方向上的應(yīng)力數(shù)值。 殘余應(yīng)力的X射線測定法整理課件31 X X射線衍射法射線衍射法測量殘余應(yīng)力中最常用的方法是測量殘余應(yīng)力中最常用的方法是 法，法，其基本原理簡述如下。其基本原理簡述如下。 2sin下圖為測試的試樣表面，圖中下圖為測試的試樣表面，圖中 、 和

21、和 為主應(yīng)為主應(yīng)力方向。由于力方向。由于X X射線對物體的穿入能力有限，因而射線對物體的穿入能力有限，因而X X射射線測量的是物體表層應(yīng)力線測量的是物體表層應(yīng)力( (記為記為 ) )。因為物體表層。因為物體表層不受外力時即處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以不受外力時即處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以 。設(shè)任。設(shè)任意方向應(yīng)變?yōu)橐夥较驊?yīng)變?yōu)?( (以以 與試樣表面法向方向的夾與試樣表面法向方向的夾角表示的方位角表示的方位) )，按彈性力學(xué)原理，有，按彈性力學(xué)原理，有12303)(sin1212EE此式中的此式中的 方向是方向是 在物體表面在物體表面上的投影方向。上的投影方向。 11,303O,22,AB(4.36)整理

22、課件32 可由以其方向為法向的可由以其方向為法向的 面的面間距的變面的面間距的變化表征，即有化表征，即有hklooddd式中式中 為有應(yīng)力時以為有應(yīng)力時以 方向為法線方向方向為法線方向 的晶面的晶面間距；間距； 為無應(yīng)力時為無應(yīng)力時 晶面間距。晶面間距。 dhkl0dhkl(4.37)整理課件33由方程由方程(4.35)、 (4.36) 和和(4.37)可得到可得到 KMEo)(sin)2(180cot)1 (22(4.38)式中式中 為應(yīng)力常數(shù)，為應(yīng)力常數(shù)， 是是 曲線曲線 的斜率。因此只需測定的斜率。因此只需測定 曲曲線的斜率就可得到線的斜率就可得到 值。值。 0cot18012EK2si

23、n2M2sin22sin2整理課件34測試方法測試方法 根據(jù)上述原理原則上可采用根據(jù)上述原理原則上可采用X衍射方法對樣品表面特衍射方法對樣品表面特定方向上的宏觀內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行實際測定，現(xiàn)介紹衍射儀法和定方向上的宏觀內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行實際測定，現(xiàn)介紹衍射儀法和應(yīng)力儀法。應(yīng)力儀法。整理課件351. 為任意角的測定2sin24530150，為畫曲線 、取 分別為 四點測量 表7.2 0 15 30 45 2 154.92 155.35 155.91 155.96 2sin 0 0.067 0.25 0.707 測4點或4點以上的方法，叫 法2sin 衍射儀法衍射儀法 整理課件362 2、0 00_0_45450

24、 0法法45022450022045022 45sin22180cot120sin45sin22180cot12KEE450222K其應(yīng)力計算公式由其應(yīng)力計算公式由(6.33)式可以得到式可以得到即即此時應(yīng)力常數(shù)與此時應(yīng)力常數(shù)與 法的不同法的不同 2sin 衍射儀法衍射儀法 (4.39)整理課件37 應(yīng)力儀法應(yīng)力儀法 試樣表面法線 入射線 應(yīng)變 晶面法線 衍射線 試樣 晶面 0S S 2 0 圖7.25 宏觀應(yīng)力測定儀的衍射幾何 試樣表面法線 入射線 應(yīng)變 晶面法線 衍射線 試樣 晶面 0S S 2 0 圖7.25 宏觀應(yīng)力測定儀的衍射幾何 200和、0之間的關(guān)系式為之間的關(guān)系式為固定固定法法

25、固定固定0法法X X射線照射方式射線照射方式有兩種有兩種 整理課件38用應(yīng)力儀進(jìn)行用應(yīng)力儀進(jìn)行0 00_0_45450 0測量時，兩次所測的應(yīng)變分量分別為測量時，兩次所測的應(yīng)變分量分別為和和(45(450 0+)+)方向，所以計算公式為方向，所以計算公式為4522245022 sin45sin22180cot12KE(4.40) 應(yīng)力儀法應(yīng)力儀法整理課件39殘余應(yīng)力的X射線測定法模型推導(dǎo)對理想的多晶體，在對理想的多晶體，在無應(yīng)力的狀態(tài)下，不無應(yīng)力的狀態(tài)下，不同方位的同族晶面間同方位的同族晶面間距是相等的，而當(dāng)受距是相等的，而當(dāng)受到一定的宏觀應(yīng)力時，到一定的宏觀應(yīng)力時，不同晶粒的同族晶面不同晶粒

26、的同族晶面間距隨晶面方位及應(yīng)間距隨晶面方位及應(yīng)力的大小發(fā)生有規(guī)律力的大小發(fā)生有規(guī)律的變化，如圖所示。的變化，如圖所示?？梢哉J(rèn)為，某方位面可以認(rèn)為，某方位面間距間距 相對于均應(yīng)相對于均應(yīng)力時的變化力時的變化 d000dddd d 整理課件40殘余應(yīng)力的X射線測定法反映了由應(yīng)力造成的面法線方向上的彈性應(yīng)變 0d d 顯然，在面間距隨方位的變化率與作用應(yīng)力之間存在一定函數(shù)關(guān)系。 因此，建立待測殘余應(yīng)力因此，建立待測殘余應(yīng)力 與空間某方位上的應(yīng)變與空間某方位上的應(yīng)變 之之間的關(guān)系式是解決應(yīng)力測量問題的關(guān)鍵。間的關(guān)系式是解決應(yīng)力測量問題的關(guān)鍵。 整理課件41殘余應(yīng)力的X射線測定法平面應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力狀

27、態(tài)：在物體的自由表面，其法線方向的應(yīng)力為零，當(dāng)物體內(nèi)應(yīng)力沿垂直于表面的方向變化梯度極小，而X射線的穿透深度又很淺,這種平面應(yīng)力假定是合理的 321、取主應(yīng)力方向321、待測方向()x整理課件42 是 與 的夾角，OZ與 構(gòu)成的平面稱“測量方向平面” 1以及與待測應(yīng)力垂直的方向 、yz殘余應(yīng)力的X射線測定法是此平面上任意n方向上的應(yīng)變，它與OZ之間的夾角為 。則 和主應(yīng)變的關(guān)系為 ,2222 12233aaa123,a aa是 相對于主應(yīng)力坐標(biāo)系的方向余弦整理課件43殘余應(yīng)力的X射線測定法1sincosa2cossina3cosa222,1233cossinsin 當(dāng) 時，902212cossi

28、n2,33sin 對于一個連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的物體來說，根據(jù)廣義虎克定律，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為xxyzyyzxzzxyEEE 整理課件44殘余應(yīng)力的X射線測定法在平面應(yīng)力條件下 ，30,zz3xxyxyEEE 2,31sinE 代入上頁的公式,21sinE 對 求導(dǎo)：2sin結(jié)論：結(jié)論： 和和 隨方向余弦隨方向余弦 成線性關(guān)系成線性關(guān)系2sin整理課件45殘余應(yīng)力的X射線測定法根據(jù)布拉格方程和式 ， cot/ dd00022cotcot2dd 2sin將此式對 求導(dǎo)022cot2 1sinE 結(jié)論結(jié)論 ： 與與 成線性關(guān)系成線性關(guān)系 22sin022cot2 1180sinE 用度表示結(jié)論：宏觀應(yīng)

29、力測試的基本公式結(jié)論：宏觀應(yīng)力測試的基本公式整理課件460cot2 1180EK 22sinMKM殘余應(yīng)力的X射線測定法宏觀應(yīng)力表達(dá)式即為K稱為應(yīng)力常數(shù)，它決定于被測材料的彈性性質(zhì)（彈性模量E，泊松比 ），及所選用衍射面的衍射角（亦即衍射面間距及光源的波長 ） 整理課件47殘余應(yīng)力的X射線測定法X射線穿透深度范圍內(nèi)有明顯的應(yīng)力梯度、非平面應(yīng)力狀態(tài)（三維應(yīng)力狀態(tài)）或材料內(nèi)存在織構(gòu)(texture)（擇優(yōu)取向(preferred orientation)）,這三種情況對 關(guān)系的影響如圖，在這些情況下，均需用特殊方法測算殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。22sin整理課件48 根據(jù)薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力不改變薄膜的厚度，

30、對有和根據(jù)薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力不改變薄膜的厚度，對有和無殘余應(yīng)力的薄膜作相同深度的壓痕實驗，獲得兩條無殘余應(yīng)力的薄膜作相同深度的壓痕實驗，獲得兩條曲線。對比兩條曲線，按下圖確定殘余應(yīng)力的符號。曲線。對比兩條曲線，按下圖確定殘余應(yīng)力的符號。6. 壓痕法整理課件49根據(jù)式根據(jù)式(4.39)確定面積確定面積 A其中其中 ， 、 為薄膜的彈性模量與泊為薄膜的彈性模量與泊松比，松比， 、 為壓頭的彈性模量與泊松比，對于為壓頭的彈性模量與泊松比，對于Vickers壓壓頭，頭， ，對于，對于Berkovich壓頭壓頭, , 。 21ECdhdPAu2211ininEEEEiEin142. 1uC167. 1uC

31、APpave同理同理 20001ECdhdPAu20020dhdPdhdPAA(4.39)(4.40)整理課件50獲得獲得 、 的值后，對于殘余拉應(yīng)力，代入下式的值后，對于殘余拉應(yīng)力，代入下式 0AAavep101aveRpAA計算得到計算得到 。 R對于殘余壓應(yīng)力，代入下式對于殘余壓應(yīng)力，代入下式 10sin1aveRpAA計算得到計算得到 。 RVickers壓頭壓頭 , ,Berkovich壓頭壓頭 , ,圓錐壓頭圓錐壓頭 227 .24(4.43)(4.44)7 .19整理課件51 膜內(nèi)應(yīng)力的存在使膜基復(fù)合體產(chǎn)生一定程度的彎曲變膜內(nèi)應(yīng)力的存在使膜基復(fù)合體產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。根據(jù)彈性

32、力學(xué)理論，由鍍膜前后懸臂梁的曲率半徑、形。根據(jù)彈性力學(xué)理論，由鍍膜前后懸臂梁的曲率半徑、中性面位置和抗彎剛度的變化，可得到鍍膜懸臂梁任意中性面位置和抗彎剛度的變化，可得到鍍膜懸臂梁任意橫截面上應(yīng)力對中性面產(chǎn)生的彎矩為橫截面上應(yīng)力對中性面產(chǎn)生的彎矩為2203113111121kkkkrrbtEMsss上式是在薄膜和基體泊松比相等的條件下導(dǎo)出的。在通上式是在薄膜和基體泊松比相等的條件下導(dǎo)出的。在通常情況下，常情況下， ，上式可近似為，上式可近似為 sfttkrrbtEMsss311112103(4.45)(4.46)7.懸臂梁法測量原理整理課件52 另外，根據(jù)彎矩定義，設(shè)膜厚為另外，根據(jù)彎矩定義，

33、設(shè)膜厚為 時膜內(nèi)的平均應(yīng)力時膜內(nèi)的平均應(yīng)力為為 ，彎矩，彎矩 也為也為ftMfsftttbM2由于由于 ，上式可近似為，上式可近似為 sfttsfttbM2由由(4.46)和和(4.48)可得到平均應(yīng)力的表達(dá)式為可得到平均應(yīng)力的表達(dá)式為02113116rrttEEttEsfsffsss在在 的條件下，的條件下，(4.49)式簡化為式簡化為 sftt021116rrttEfsss(4.47)(4.48)(4.49)(4.50)整理課件53 鍍膜前，基體處于平直狀態(tài)，即鍍膜前，基體處于平直狀態(tài)，即 ，鍍膜，鍍膜后，后， ， 為懸臂梁長度，為懸臂梁長度， 為懸臂梁鍍膜為懸臂梁鍍膜后自由端的撓度，后自

34、由端的撓度，(4.50)式轉(zhuǎn)化為式轉(zhuǎn)化為0r22Lr LfssstLtE2213 (4.51)式即為式即為Stoney公式。公式。Berry對對Stoney公式進(jìn)行公式進(jìn)行了修正了修正，用基體的平面模量用基體的平面模量 代替雙向模代替雙向模量量 ，那么那么，(4.51)式變?yōu)槭阶優(yōu)?1ssEssE1fssstLtE22213 由由(4.52)式可以看出，求解膜內(nèi)殘余應(yīng)力時不需要知道式可以看出，求解膜內(nèi)殘余應(yīng)力時不需要知道薄膜的彈性模量。薄膜的彈性模量。 (4.51)(4.52)整理課件54 制作薄膜時，不可避免地使在基底上的薄膜產(chǎn)生制作薄膜時，不可避免地使在基底上的薄膜產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力會

35、對加工出來的微結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力會對加工出來的微結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。在內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生幾類產(chǎn)生重要影響。在內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生幾類重要的力學(xué)行為：重要的力學(xué)行為：三、 殘余應(yīng)力對薄膜性能的影響 殘余應(yīng)力的梯度分布使微懸臂梁彎曲殘余應(yīng)力的梯度分布使微懸臂梁彎曲 殘余壓應(yīng)力使微梁屈曲殘余壓應(yīng)力使微梁屈曲 殘余應(yīng)力對粘附有影響殘余應(yīng)力對粘附有影響 整理課件55 以圖以圖4 4所示的壓應(yīng)力為例，其作用使微懸臂梁所示的壓應(yīng)力為例，其作用使微懸臂梁(彈性模彈性模量為量為 )向上彎曲。向上彎曲。 E設(shè)應(yīng)力的梯度分布為設(shè)應(yīng)力的梯度分布為 zt 2/10應(yīng)力對應(yīng)的彎矩為

36、應(yīng)力對應(yīng)的彎矩為 2/2/ttdzWzM將式將式(4.53)代入式代入式(4.54)，計算出，計算出1261WtM(4.53)(4.54)(4.55)1. 殘余應(yīng)力的梯度分布使微懸臂梁彎曲整理課件56圖圖4 由于壓應(yīng)力而向上彎曲的微懸臂梁由于壓應(yīng)力而向上彎曲的微懸臂梁整理課件57如果忽略橫向泊松比的影響，可以導(dǎo)出微梁彎曲的曲率半如果忽略橫向泊松比的影響，可以導(dǎo)出微梁彎曲的曲率半徑徑 MEWt3121(4.56)把式把式(4.56)給出的彎矩代入，得到給出的彎矩代入，得到 121Et(4.57)如果考慮泊松比對橫向的影響，微梁彎曲的曲率半徑為如果考慮泊松比對橫向的影響，微梁彎曲的曲率半徑為 11

37、21tE(4.58)整理課件58 有厚度為有厚度為 、橫截面積為、橫截面積為 的矩形截面梁，其截的矩形截面梁，其截面的慣性矩面的慣性矩 。假設(shè)梁的任一截面都承受著。假設(shè)梁的任一截面都承受著軸向力軸向力 ， 的大小不變且均勻分布。的大小不變且均勻分布。 與一個外部與一個外部的橫向均布載荷的橫向均布載荷 共同作用，使得微梁各部分發(fā)生共同作用，使得微梁各部分發(fā)生位移位移 ，如果微梁所用材料的密度為，如果微梁所用材料的密度為 ，彈性模量，彈性模量為為 ，并且材料是各向同性的，那么梁發(fā)生彎曲的微，并且材料是各向同性的，那么梁發(fā)生彎曲的微分方程為分方程為hA212/1AhI PPP xqwE xqtwAx

38、wPxwEI222224(4.59)2.殘余壓應(yīng)力使微梁屈曲整理課件59這里考慮的是微梁在其內(nèi)部應(yīng)力作用下發(fā)生的屈曲，這里考慮的是微梁在其內(nèi)部應(yīng)力作用下發(fā)生的屈曲， 為零。當(dāng)為零。當(dāng) 足夠大時梁失穩(wěn)。假設(shè)位移足夠大時梁失穩(wěn)。假設(shè)位移 可被分離變可被分離變量表示為量表示為 、 ，則式，則式(4.59)變?yōu)樽優(yōu)?xqPtxw , xX tT2224422111dxXdXAPdxXdXAEIdtTdT(4.60)為梁的頻率，式為梁的頻率，式(4.60)的解為的解為 tCtTcos1 LbxCLbxCLxCLxCxXcossincoshsinh5432(4.61a)(4.61b)整理課件60對于兩端簡

39、支的梁和兩端固支的梁將邊界條件代入式對于兩端簡支的梁和兩端固支的梁將邊界條件代入式(4.61a)、(4.61b)，可解出位移表達(dá)式，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的可解出位移表達(dá)式，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的臨界載荷為臨界載荷為22/ LEIP兩端簡支梁兩端簡支梁 22/4LEIP兩端固支梁兩端固支梁 進(jìn)一步得到使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的臨界殘余應(yīng)力為進(jìn)一步得到使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的臨界殘余應(yīng)力為 22212LEhAPEuler2223LEhAPEuler兩端簡支梁兩端簡支梁 兩端固支梁兩端固支梁 (4.63)(4.64)(4.65)(4.66)整理課件61(a) 懸臂梁 (b) 兩端固支梁圖圖5 由于壓應(yīng)力而屈曲的微梁結(jié)構(gòu)由于壓應(yīng)力而屈

40、曲的微梁結(jié)構(gòu)整理課件624.3 薄膜的斷裂韌性一、一、薄膜的界面性能薄膜的界面性能 膜與基體界面間結(jié)合類型膜與基體界面間結(jié)合類型 冶金結(jié)合界面冶金結(jié)合界面 擴(kuò)散結(jié)合界面擴(kuò)散結(jié)合界面 外延生長界面外延生長界面化學(xué)鍵結(jié)合界面化學(xué)鍵結(jié)合界面 分子鍵結(jié)合界面分子鍵結(jié)合界面 機(jī)械結(jié)合界面機(jī)械結(jié)合界面 整理課件63 在表面涂覆技術(shù)中，覆材與基材通過一定的物理在表面涂覆技術(shù)中，覆材與基材通過一定的物理化學(xué)作用結(jié)合在一起，存在于兩者界面上的結(jié)合力隨化學(xué)作用結(jié)合在一起，存在于兩者界面上的結(jié)合力隨涂覆類型的不同有著較大的差異。這些力既可以是主涂覆類型的不同有著較大的差異。這些力既可以是主價鍵力，也可以是次價鍵力。

41、主價鍵力又稱為化學(xué)鍵價鍵力，也可以是次價鍵力。主價鍵力又稱為化學(xué)鍵力，存在于原子力，存在于原子( (或離子或離子) )之間，包括離子鍵力、共價之間，包括離子鍵力、共價鍵力及金屬鍵力；次價鍵力又稱為分子間的作用力，鍵力及金屬鍵力；次價鍵力又稱為分子間的作用力，包括取向力、誘導(dǎo)力、色散力，合稱為范德華力。包括取向力、誘導(dǎo)力、色散力，合稱為范德華力。 2. 涂層與基體界面間的結(jié)合力 整理課件64 材料的潤濕性能材料的潤濕性能 界面元素的擴(kuò)散情況界面元素的擴(kuò)散情況 基體表面的狀態(tài)基體表面的狀態(tài) 膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài) 此外，涂敷的工藝參數(shù)、覆材粒子與基體表面的活化狀此外，涂敷的工藝參數(shù)、覆材粒子

42、與基體表面的活化狀態(tài)、覆層結(jié)晶質(zhì)量等因素對覆層的結(jié)合性能也有不同程態(tài)、覆層結(jié)晶質(zhì)量等因素對覆層的結(jié)合性能也有不同程度的影響。度的影響。3. 影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素整理課件65二、界面斷裂韌性的測量方法 1. 膠帶法膠帶法 膠帶法是膠帶法是Strong于于1935年提出的一種測量薄膜界面結(jié)年提出的一種測量薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度的方法，合強(qiáng)度的方法，Strong用此方法測試了鋁膜用此方法測試了鋁膜/ /玻璃基體的玻璃基體的結(jié)合強(qiáng)度，具體做法如下：先把具有粘著能力的膠帶貼到結(jié)合強(qiáng)度，具體做法如下：先把具有粘著能力的膠帶貼到薄膜表面上，然后剝離膠帶，測出其施加的力，并觀察殘薄膜表面上，然后剝離膠帶，測出其施

43、加的力，并觀察殘留在基體上與膠帶上薄膜材料的殘余量，從而得出薄膜對留在基體上與膠帶上薄膜材料的殘余量，從而得出薄膜對基體的附著強(qiáng)弱，膠帶法只能得出定性的結(jié)論，且當(dāng)薄膜基體的附著強(qiáng)弱，膠帶法只能得出定性的結(jié)論，且當(dāng)薄膜的結(jié)合強(qiáng)度超過膠帶時，該方法完全失去作用。的結(jié)合強(qiáng)度超過膠帶時，該方法完全失去作用。整理課件662. 拉張法拉張法 拉張法通過施加一與薄膜和基體界面相垂直的拉張力拉張法通過施加一與薄膜和基體界面相垂直的拉張力來從基體上剝離薄膜，根據(jù)剝離時所施加的拉張力定出附來從基體上剝離薄膜，根據(jù)剝離時所施加的拉張力定出附著力。具體來說，在薄膜的表面上粘結(jié)一平滑的圓板再把著力。具體來說，在薄膜的表

44、面上粘結(jié)一平滑的圓板再把基體固定住，然后再圓板相垂直的方向施加一拉力使薄膜基體固定住，然后再圓板相垂直的方向施加一拉力使薄膜從基片上脫落，同時測出剝離時所加的力。從基片上脫落，同時測出剝離時所加的力。整理課件673. 劃痕法劃痕法 在所有測試方法中，劃痕法是目前較為成熟的，也是在所有測試方法中，劃痕法是目前較為成熟的，也是應(yīng)用最廣泛的一種。它的定量精度較高，監(jiān)控破壞點的手應(yīng)用最廣泛的一種。它的定量精度較高，監(jiān)控破壞點的手段也較多。段也較多。 劃痕法測試時壓頭以一定的速度在試樣表面劃過，同劃痕法測試時壓頭以一定的速度在試樣表面劃過，同時作用于壓頭上的垂直壓力逐步或連續(xù)地增大直到薄膜脫時作用于壓頭

45、上的垂直壓力逐步或連續(xù)地增大直到薄膜脫離。實際在劃痕內(nèi)只有很少量的薄膜是完全剝落的，因此離。實際在劃痕內(nèi)只有很少量的薄膜是完全剝落的，因此該方法十分便于膜該方法十分便于膜/ /基界面臨界載荷（基界面臨界載荷（ ）的確定。）的確定。ICP整理課件68 劃痕法中，作用在壓頭上的垂直壓力加載方式有兩種：步進(jìn)式劃痕法中，作用在壓頭上的垂直壓力加載方式有兩種：步進(jìn)式和連續(xù)式。涂層從基體剝落的最小壓力稱為臨界載荷，記為和連續(xù)式。涂層從基體剝落的最小壓力稱為臨界載荷，記為 。ICP劃痕法是采用金剛石劃針劃痕法是采用金剛石劃針（椎角椎角110o，曲率半徑，曲率半徑0.2mm）在恒在恒定或連續(xù)增加的正應(yīng)力作用下

46、，以一定的速度刻劃涂層表面，直至定或連續(xù)增加的正應(yīng)力作用下，以一定的速度刻劃涂層表面，直至發(fā)生膜層結(jié)合的破壞，以對應(yīng)得臨界載荷發(fā)生膜層結(jié)合的破壞，以對應(yīng)得臨界載荷 作為膜基結(jié)合強(qiáng)度的作為膜基結(jié)合強(qiáng)度的度量。度量。其中其中臨界載荷的確定方法臨界載荷的確定方法有有 顯微觀察法顯微觀察法 微區(qū)成分分析法微區(qū)成分分析法 聲發(fā)射法聲發(fā)射法 切向摩擦力法切向摩擦力法ICP整理課件694. Shear lag 模型 對于韌性基體，膜內(nèi)存在裂紋時，膜是否從基體上脫落，取決于對于韌性基體，膜內(nèi)存在裂紋時，膜是否從基體上脫落，取決于界面結(jié)合能力和基體的屈服強(qiáng)度。界面結(jié)合能力和基體的屈服強(qiáng)度。 和和 分別是薄膜的斷

47、裂強(qiáng)度和分別是薄膜的斷裂強(qiáng)度和基體的屈服強(qiáng)度，當(dāng)基體的屈服強(qiáng)度，當(dāng) 時，可用時，可用shear lag模型得到界面模型得到界面結(jié)合強(qiáng)度結(jié)合強(qiáng)度cY2 . 0YchLccccLhLP1其中，其中， 為膜厚，為膜厚， 裂紋間距，裂紋間距， 為裂紋密度，為裂紋密度， 為界面剪切強(qiáng)度為界面剪切強(qiáng)度hcLLP界面斷裂韌性界面斷裂韌性 滿足滿足 cKccLK (4.71) (4.72) (4.73) 整理課件70Suo-Hutchinson給出材料界面裂紋的能量釋放率滿足給出材料界面裂紋的能量釋放率滿足下面關(guān)系下面關(guān)系sin21623221hAIpMIhMAhpcG而應(yīng)力強(qiáng)度因子與能量釋放率的關(guān)系為而應(yīng)力

48、強(qiáng)度因子與能量釋放率的關(guān)系為 GccK21cosh4 (4.74) (4.75) 5. Suo-Hutchinson模型 整理課件716. 氣泡法 準(zhǔn)備試樣前，在平整的基體上預(yù)制一個穿透孔，然準(zhǔn)備試樣前，在平整的基體上預(yù)制一個穿透孔，然后將薄膜沉積到該基體上。后將薄膜沉積到該基體上。 理論模型的示意圖如圖所示，在油壓理論模型的示意圖如圖所示，在油壓q q的逐漸加大的逐漸加大過程中，界面裂紋將逐漸擴(kuò)展，薄膜將逐步被剝離。過程中，界面裂紋將逐漸擴(kuò)展，薄膜將逐步被剝離。q整理課件72 我們假設(shè)被剝離的部分是各向同性的半徑為我們假設(shè)被剝離的部分是各向同性的半徑為a a的固支圓板，用的固支圓板，用von

49、 von KarmanKarman非線性板理論來分析被剝離的部分。這樣在外載荷油壓非線性板理論來分析被剝離的部分。這樣在外載荷油壓q q的作用下，圓板中的應(yīng)變能為的作用下，圓板中的應(yīng)變能為DwqhwwrwrdrDUaplates2) 1(212)1 (221212 1220我們應(yīng)用我們應(yīng)用Euler-Lagrange變分原理可以得到在固支邊界條件下關(guān)于變分原理可以得到在固支邊界條件下關(guān)于位移位移 和和 的的Euler-Lagrange耦合微分方程，由這個微分方程耦合微分方程，由這個微分方程可可以容易得到以容易得到 和和 , ,從而，進(jìn)一步可以得到無量綱的膜應(yīng)力從而，進(jìn)一步可以得到無量綱的膜應(yīng)力

50、 和無量綱的彎矩和無量綱的彎矩 分別為分別為uwwu0rS0rM)()(2)()(23823102102223010kIkIkkIkIkkphNcSarrr)(22)()(2210222010kfpkIkkIkphMcMarrr (4.79) (4.80) 整理課件73對于比較小的外載荷對于比較小的外載荷q q ，我們有圓板中心點的撓度值為，我們有圓板中心點的撓度值為 3142116)1 (3)0(hEaqw另一方面在無量綱的膜應(yīng)力和無量綱的彎矩的作用下，界面裂紋的能另一方面在無量綱的膜應(yīng)力和無量綱的彎矩的作用下，界面裂紋的能量釋放率由量釋放率由Suo和和Hutchinson得到的結(jié)果為，如果

51、用無量綱的形式表得到的結(jié)果為，如果用無量綱的形式表示則為示則為sin21)(134sin2)()(4312200202022_kfIAIMSIMASpGrrrra進(jìn)一步，我們也可以得到只依賴于無量綱參數(shù)進(jìn)一步，我們也可以得到只依賴于無量綱參數(shù) 的數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)擬合公式為公式為1_491_)1283(expiiiaapaG1_471)1283(iiibpbAI4/p (4.81) (4.82) (4.83) (4.84) 整理課件74無量綱參數(shù)無量綱參數(shù) 為為 4/p41214014)1 (8/haEqqcp這里這里 是薄膜的厚度。由于界面裂紋是混合型裂紋，是薄膜的厚度。由于界面裂紋是混合型裂紋

52、，我們用相角表示裂紋我們用相角表示裂紋I I和裂紋和裂紋IIII的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn) h)sin(cos)cos(sintan1(4.85)(4.86)整理課件754.4 薄膜的硬度 目前針對薄膜的硬度廣泛采用的方法是目前針對薄膜的硬度廣泛采用的方法是納米壓痕法納米壓痕法。發(fā)展納米壓痕技術(shù)的原動力在于：當(dāng)壓痕的形貌尺寸減至發(fā)展納米壓痕技術(shù)的原動力在于：當(dāng)壓痕的形貌尺寸減至百納米級，利用掃描電鏡找到并測量壓痕費時費力，且測百納米級，利用掃描電鏡找到并測量壓痕費時費力，且測量誤差較大，直接利用測量得到的連續(xù)載荷量誤差較大，直接利用測量得到的連續(xù)載荷- -位移數(shù)據(jù)得位移數(shù)據(jù)得出壓痕面積而不是利用掃描電鏡測量

53、壓痕邊長時其在測量出壓痕面積而不是利用掃描電鏡測量壓痕邊長時其在測量方法上區(qū)別于常規(guī)顯微硬度儀的特征。該方法可以提高壓方法上區(qū)別于常規(guī)顯微硬度儀的特征。該方法可以提高壓痕面積的測量精度、降低測量人員的勞動強(qiáng)度并減少測量痕面積的測量精度、降低測量人員的勞動強(qiáng)度并減少測量中的人為因素。中的人為因素。整理課件76納米壓痕硬度的定義為納米壓痕硬度的定義為SPH 其中，其中， 為載荷，為載荷， 為壓痕的投影面積而不是三棱錐硬度中為壓痕的投影面積而不是三棱錐硬度中的表面積，壓痕投影面積根據(jù)載荷的表面積，壓痕投影面積根據(jù)載荷- -位移曲線得出。如何由位移曲線得出。如何由載荷載荷- -位移曲線得到位移曲線得到

54、 是納米壓痕技術(shù)的一個關(guān)鍵部分。是納米壓痕技術(shù)的一個關(guān)鍵部分。 S(4.87)PS整理課件77下面簡單介紹納米壓痕技術(shù)獲得薄膜硬度，其分析步驟為下面簡單介紹納米壓痕技術(shù)獲得薄膜硬度，其分析步驟為 (1) 初始卸載剛度初始卸載剛度 （或柔度（或柔度 ） 根據(jù)彈性接觸理論，卸載初始階段（卸載段的前根據(jù)彈性接觸理論，卸載初始階段（卸載段的前25%-25%-50%50%）的載荷）的載荷- -位移曲線可由下式擬合位移曲線可由下式擬合kCmfhhAP其中，其中， 為常數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法得到，為常數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法得到，初始卸載剛度初始卸載剛度 （或柔度（或柔度 ）由上式微分在載荷峰值處）由

55、上式微分在載荷峰值處繪出。繪出。fhmA,kC(4.88)整理課件78chKPahhhhscmaxmaxmax(3) 確定接觸面積函數(shù)確定接觸面積函數(shù) 12/18125 .24iciicchchhS其中，右端第一項為理想幾何形狀壓頭造成壓痕的投影面其中，右端第一項為理想幾何形狀壓頭造成壓痕的投影面積，后幾項為幾何形狀的修正項，積，后幾項為幾何形狀的修正項， 為待定系數(shù)。為待定系數(shù)。ic至此，可由任一材料的載荷至此，可由任一材料的載荷- -位移曲線結(jié)合位移曲線結(jié)合(4.88)、 (4.89)和和 (4.90)得到得到 ，再由定義式得到硬度值。，再由定義式得到硬度值。chS(4.89)(4.90)

56、(2) 確定接觸深度確定接觸深度整理課件794.5 薄膜的摩擦、磨損和磨蝕 一、薄膜的摩擦學(xué)概念一、薄膜的摩擦學(xué)概念 即使不考慮固體表面鄰近區(qū)域與塊體材料間的力學(xué)特性值的區(qū)即使不考慮固體表面鄰近區(qū)域與塊體材料間的力學(xué)特性值的區(qū)別，但由于沒有掌握固體表面鄰近區(qū)域的力學(xué)特性，因此還不能從別，但由于沒有掌握固體表面鄰近區(qū)域的力學(xué)特性，因此還不能從塊體材料的已知特性值，推測出摩擦系數(shù)的實際數(shù)值。人們已經(jīng)知塊體材料的已知特性值，推測出摩擦系數(shù)的實際數(shù)值。人們已經(jīng)知道，材料抵抗摩擦相對變形的微觀流動和有關(guān)破壞特性，取決于材道，材料抵抗摩擦相對變形的微觀流動和有關(guān)破壞特性，取決于材料延展性、組織、結(jié)構(gòu)、表面

57、鄰近材質(zhì)和局部應(yīng)力等。料延展性、組織、結(jié)構(gòu)、表面鄰近材質(zhì)和局部應(yīng)力等。整理課件80摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) ( ( 等于摩擦力等于摩擦力 除以載荷除以載荷 ) )用下式表示用下式表示FPHSPSnAr式中，式中， 為接觸部位的個數(shù)；為接觸部位的個數(shù)； 為每個接觸部位的真實接為每個接觸部位的真實接觸面積，觸面積， 為材料的剪切強(qiáng)度。取為材料的剪切強(qiáng)度。取 為為 ，則，則 為真為真實接觸部位產(chǎn)生塑性變形時的材料塑性流動應(yīng)力，可近似實接觸部位產(chǎn)生塑性變形時的材料塑性流動應(yīng)力，可近似看作等于壓陷硬度。在大多情況下可忽略看作等于壓陷硬度。在大多情況下可忽略 值。值。nrAsrnAAP 式式(4.94)表明，摩擦

58、力與表觀接觸面積無關(guān)而與載荷表明，摩擦力與表觀接觸面積無關(guān)而與載荷成正比，即摩擦系數(shù)與面壓力無關(guān)而為恒定值，這就是成正比，即摩擦系數(shù)與面壓力無關(guān)而為恒定值，這就是所謂的所謂的Amonton第二定律。第二定律。 A(4.94)整理課件81 如果在硬質(zhì)材料表面上，涂覆具有小剪切強(qiáng)度的材料如果在硬質(zhì)材料表面上，涂覆具有小剪切強(qiáng)度的材料( (一般一般說來這種材料也軟說來這種材料也軟),),或者用某些方法，把小剪切強(qiáng)度的固體或流或者用某些方法，把小剪切強(qiáng)度的固體或流體輸送至接觸表面上，由公式體輸送至接觸表面上，由公式(4.94)(4.94)就可以知道摩擦系數(shù)得以減就可以知道摩擦系數(shù)得以減小，即小，即filmffilmfilmrfilmHSPSnAfilmfilmSS,相反，在軟質(zhì)材料表面上，存在硬質(zhì)表面層時，軟質(zhì)材料只要不相反，在軟質(zhì)材料表面上，存在硬質(zhì)表面層時，軟質(zhì)材料只要不產(chǎn)生貫通破壞，則式產(chǎn)生貫通破壞，則式(4.94)(4.94)就使用?；蛘咴谟操|(zhì)表面層上，有意就使用。或者在硬質(zhì)表面層上，有意或無意產(chǎn)生軟質(zhì)膜，硬質(zhì)層作為軟質(zhì)膜襯底，這時真實接觸面積或無意產(chǎn)生軟質(zhì)膜，硬質(zhì)層作為軟質(zhì)膜襯底，這時真實接觸面積減小，摩擦系