納米微硬度實驗中多層膜結(jié)構(gòu)的影響分析

納米微硬度實驗中多層膜結(jié)構(gòu)的影響分析

膜層材料廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域。實踐和研究表明，在某些情況下，單層膜不能提供足夠的表面性能。由中間層和表面層的適當(dāng)組合形成的多層膜層膜體系通常具有更多的優(yōu)勢。這層膜的周期性結(jié)構(gòu)也展示了驚人的力學(xué)、物理、磁學(xué)和光學(xué)特征。由于每一層的相互影響，整個多層膜系統(tǒng)的性質(zhì)與組成材料不同，因此對多層膜系統(tǒng)的研究具有重要意義。微硬度法仍然是代表多層膜結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的主要方法，但由于結(jié)構(gòu)的特殊性，為了更好地研究多層膜結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果之間的關(guān)系，有必要進(jìn)一步研究多層膜結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果之間的關(guān)系。tian、saka、anderson、colins和朱夫子使用有限法研究了膜層系統(tǒng)在各種受載條件下的應(yīng)力適應(yīng)性反應(yīng)。然而，由于結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)和承受方式的多變性，很少有對軟膜層的影響的全面結(jié)論。特別是，膜層中上部組織的組成和結(jié)構(gòu)對材料的適應(yīng)性沒有嚴(yán)格的結(jié)論。在這項工作中，我們研究了多層膜組件結(jié)構(gòu)對多層膜梯度反應(yīng)的影響，并為多層膜微硬度實驗提供了一些參考依據(jù)：（1）在一定襯底厚度下，軟膜層和tin-a-hss層之間的關(guān)系分析了膜層中軟膜層的影響。（2）在一定襯底厚度下，將軟膜層和tin-a-hgs層的厚度進(jìn)行分析，并分析膜層的內(nèi)部和外部壓力。（3）分析多層膜層數(shù)對多層膜梯度的影響；。1vicars硬度壓頭的建立本文在FEPG有限元程序生成軟件平臺上對納米微硬度實驗中壓頭壓入膜層過程進(jìn)行模擬.膜層體系選用的是在30μm厚HSS基底上沉積不同結(jié)構(gòu)和材料組成的膜層體系,并假設(shè)膜層與基底間是理想的粘接界面.壓頭采用的是Vickers硬度壓頭,如圖1.壓入過程中壓痕附近是局部塑性變形,考慮接觸和邊界摩擦,接觸邊界在程序中采用位移控制加載.膜層體系材料采用各向同性的均質(zhì)的理想彈塑性連續(xù)體,并遵循Mises屈服條件.為了提高計算效率,本文簡化為平面應(yīng)變的二維計算,假定壓頭是剛性的,采用相當(dāng)于Vickers硬度壓頭夾角的136°楔形壓頭來簡化Vickers硬度壓頭,由于結(jié)構(gòu)對稱,取受力模型右半部分進(jìn)行模擬計算.網(wǎng)格采用四結(jié)點單元,對壓頭作用區(qū)附近劃分較密.2計算2.1x方向應(yīng)力場計算模型采用的基底材料是HSS,膜層厚度12μm,基底厚度30μm,每層單膜厚3μm,壓頭壓入深度為1.74μm.采用的模型材料主要有:TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多層膜,TiN/Al/TiN/Al/HSS多層膜,組分1是硬膜層為TiN,組分2為軟膜層,為Ti或Al.在壓頭軸線上(圖2),兩種薄膜的x方向應(yīng)力場區(qū)別不大,這說明在壓頭下的x方向應(yīng)力場對材料的改變不是很敏感,沿著y方向,軟層材料已經(jīng)進(jìn)入塑性,x方向的力主要由硬膜層承擔(dān).從τ應(yīng)力場的比較中可以看出,在TiN/Al/TiN/Al/HSS多層膜頂層TiN組分中的切應(yīng)力大于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多層膜中的切應(yīng)力,說明相對硬一些的軟膜能有助于減小頂層硬膜中的切應(yīng)力(圖中的橫線表示多層膜中的各個界面).而從有效塑性應(yīng)變的比較中可以看出,兩種材料都是在軟膜層和壓頭下出現(xiàn)了塑性變形,且壓頭下的軟膜和硬膜的交界面附近塑性流動最大.從膜基界面處膜層應(yīng)力的結(jié)果比較中可以看出(圖3),在x方向應(yīng)力場中,TiN/Al/TiN/Al/HSS多層膜的x方向最大正應(yīng)力為0.294GPa,要小于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多層膜中的最大正應(yīng)力0.381GPa,說明軟的軟膜層儲存應(yīng)變能大,能夠降低界面上x方向的應(yīng)力;在τ應(yīng)力場的比較中,TiN/Al/TiN/Al/HSS多層膜的切應(yīng)力為0.3GPa也要小于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多層膜中的剪應(yīng)力0.32GPa,這說明軟的軟膜層能夠更好地降低界面的剪應(yīng)力.通過上面的比較可以看出,在多層膜中,當(dāng)壓頭壓入深度一定的情況下,較軟的軟膜儲存應(yīng)變能大,能夠起到一定的緩沖作用.但是軟膜與上面硬膜交界面的應(yīng)力會增加,導(dǎo)致硬膜要承受更大的載荷,硬膜在受壓過程中起到承擔(dān)載荷的主要作用,軟膜起到傳遞載荷、儲存應(yīng)變能、緩沖變形的作用.2.2軟膜層應(yīng)力與切應(yīng)力計算模型具體說明見表1.3個模型壓頭壓入深度一致,都為1.38μm.計算結(jié)果的比較見圖4.從圖4的比較中可以看出,在壓頭軸線下3種模型頂層硬膜x方向應(yīng)力結(jié)果差別不大,說明在壓入深度不變的情況下,壓頭區(qū)下頂層硬膜x方向應(yīng)力對薄膜厚度不敏感,但在第2層硬膜中,C模型張應(yīng)力計算結(jié)果最大為3.27GPa,A模型居中為3.12GPa,B模型最小為2.45GPa,說明薄的硬膜層能承擔(dān)x方向更大的張應(yīng)力.在切應(yīng)力場中,硬膜中C的切應(yīng)力最大為0.473GPa,A居中0.466GPa,B最小0.422GPa.在有效塑性應(yīng)變的比較中可以看出,最上面的軟膜中C模型的有效塑性應(yīng)變最小,A模型居中,B模型最小,說明厚的軟膜層能夠減小軟膜層中的塑性變形.從膜基界面處膜層應(yīng)力比較圖和計算結(jié)果中可以看出(圖5(a)),3種模型的拉應(yīng)力和切應(yīng)力結(jié)果比較一致,只是x方向上最大值的位置不同,軟膜厚的更靠近壓頭中線,薄的遠(yuǎn)些,說明上面厚的軟膜層使膜層與基底界面上的應(yīng)力峰值區(qū)域變小了.在膜層表面(圖5(b))上可以看出,隨著軟膜的增厚,膜層表面x方向正應(yīng)力增大,變化更劇烈了,這說明較厚的軟層將引起表面硬膜層表面張應(yīng)力的增大,更容易引起表面縱向裂紋的擴(kuò)展,因為增厚軟膜層將會使薄膜表面硬度降低,使得壓頭周圍的薄膜表面彎曲曲率半徑變大,因此表面的張應(yīng)力增大.通過上面的比較可以得出,在壓頭壓入深度一定的情況下,增厚軟膜將使膜層的應(yīng)力下降,同時,厚的軟膜層能夠減小軟膜中的塑性應(yīng)變,減小膜層產(chǎn)生裂紋和剝落的可能,對于靠近表面的膜層來說,增厚軟膜層將會使薄膜表面的硬度降低,增大薄膜表面張應(yīng)力,容易引起表面縱向裂紋擴(kuò)展,同時也使膜層中的受力更集中在膜層中的硬膜上,使硬膜更容易遭到破壞.2.3膜層數(shù)對有效塑性的影響建立了4個模型,分別是A,B,C和D,參數(shù)見表2,壓頭壓入深度為1.14μm.從圖6中可以看出,在壓頭作用軸線上,隨著層數(shù)增加,膜層中x方向最大正應(yīng)力逐漸減小,如2層膜中正應(yīng)力最大為3.29GPa,8層膜比2層膜減小了30%,這是因為隨著膜層層數(shù)增多,膜層整體受力情況趨于均勻,應(yīng)力不會非常集中于幾層膜體上,使得應(yīng)力結(jié)果變小.在切應(yīng)力場中,4個模型中最大切應(yīng)力最小的出現(xiàn)在2層膜中,為0.26GPa,比8層膜的最大切應(yīng)力減小53%,這是因為,兩層膜與其它多層膜相比,硬膜相對厚,在壓入深度相同的情況下,切應(yīng)力相對減小了.在有效塑性應(yīng)變的比較中可以看出,膜層越多,膜層中有效塑性應(yīng)變越大,由于層數(shù)增多使得膜層中的受力更均勻,也使軟膜承受了更大的載荷,所以引起有效塑性應(yīng)變也最大.在膜層與基底的交界面上(圖7(a)),8層膜x方向張應(yīng)力最小,幾乎沒有張應(yīng)力,其次是6層膜,4層膜,2層膜,表明層數(shù)多的多層膜明顯地能降低膜層與基底界面上膜層的x方向應(yīng)力,在切應(yīng)力場中也是8層膜的結(jié)果最小,其次為6層,4層,2層,但4層膜和2層膜結(jié)果差距不大,說明層數(shù)多的多層膜也能降低膜層與基底界面上的切應(yīng)力,這些也是因為層數(shù)的增多使得膜層更趨均勻,降低了應(yīng)力集中,但是當(dāng)膜層層數(shù)較少時變化不是很明顯.在膜層的上表面(圖7(b)),x方向表面張應(yīng)力隨著層數(shù)的增加而增大,8層膜和6層膜結(jié)果相差不多,說明層數(shù)較多時表面應(yīng)力對層數(shù)的變化不敏感,層數(shù)較多時材料趨近于均勻化,參數(shù)的變化影響相對變小,因為膜層層數(shù)增加將使膜層中每一組分的厚度變薄,使軟膜更靠近表面,表面硬度降低,引起壓頭周圍薄膜表面彎曲曲率半徑變大,因此表面張應(yīng)力隨著膜層層數(shù)的增大而增大.通過上面的比較可以得出,在壓頭壓入深度一定的情況下,增大膜層層數(shù)能夠很好地保護(hù)基底,降低膜層與基底界面間的應(yīng)力,減小膜層中的張應(yīng)力,但對于薄膜表層,由于增大膜層層數(shù),使得膜層表面的硬層變薄,表面硬度降低,引起膜層表面在壓頭壓入時變形加劇,張應(yīng)力變大,容易引起縱向裂紋擴(kuò)展,同時也使接近表面的軟膜塑性應(yīng)變加大,容易產(chǎn)生裂紋和剝落.3薄膜性能的改善