基于内聚力模型的接触载荷下硬质薄膜/韧性基底破坏机制分析

论文摘要

硬质薄膜由于具有高的硬度、高耐磨性、抗接触疲劳等性能,因而广泛应用于加工刀具、硬盘保护、模具等方面。在工程应用中,硬质薄膜在服役过程中往往承受高接触载荷,从而可能导致薄膜断裂或薄膜/基底的界面脱层,甚至造成薄膜的脱落,进而影响其服役周期。因此,研究接触载荷下硬质薄膜/韧性基底破坏的问题十分重要。目前,对于硬质薄膜/韧性基底材料体系的破坏问题的数值模拟往往研究单一模式,即仅考虑单一破坏形式如薄膜发生环形裂纹、薄膜屈曲或薄膜/基底界面分层等方面进行研究。然而,在实际的接触载荷作用下,一种或几种破坏模式均可能出现,并且,对于薄膜材料来说,其内在的残余应力也将影响其破坏形式。本文基于内聚力模型采用有限元方法模拟来探究硬质薄膜/韧性基底体系的破坏机制。给出在不同残余应力下硬质薄膜/韧性基底产生破坏时临界压入深度以及临界载荷,并给出失效机制图,进而对薄膜材料的工程应用和运用压痕法测量薄膜的断裂韧性提供指导。本文的主要工作和成果如下：1.对于薄膜和基底中可能破坏的界面采用内聚力单元,基于ABAQUS软件编写轴对称内聚力单元用户子程序,通过计算球形压头压入薄膜/基底的算例验证了有限元计算分析的准确性。2.对于强薄膜—弱薄膜/基底结合界面,分析残余应力和薄膜厚度对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底体系的界面分层的临界压入深度以及临界载荷的影响,给出不同的界面内聚强度下,薄膜/基底界面的分层破坏的机制。3.对于弱薄膜—强薄膜/基底结合界面,分析残余应力和薄膜厚度对压头诱导的硬质薄膜本身断裂产生环形裂纹的临界压入深度以及临界载荷的影响,给出在不同的薄膜内聚能下薄膜断裂破坏的机制。4.对于一般硬质薄膜/韧性基底体系,综合考虑薄膜本身断裂和薄膜/基底界面分层,给出各种因素影响下的综合失效机制图,并与实验结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 薄膜/基底界面分层破坏研究进展
• 1.2.2 硬质薄膜断裂问题研究进展
• 1.2.3 目前研究存在的一些问题
• 1.3 本文的研究主要内容及意义
• 第2章 基本理论模型及模型可行性验证
• 2.1 引言
• 2.2 压入过程的有限元模型
• 2.3 内聚力模型以及内聚力单元UEL子程序
• 2.3.1 内聚力模型
• 2.3.2 含内聚力模型的变形体的变分形式及有限元求解
• 2.3.3 内聚力单元UEL子程序
• 2.4 数值模拟可行性验证
• 2.5 小结
• 第3章 压头诱导的硬质薄膜/韧性基底界面分层的破坏机制
• 3.1 引言
• 3.2 理想结合界面
• 3.3 各因素对界面分层破坏失效机制影响
• 3.3.1 界面残余应力对临界压入深度及载荷影响
• 3.3.2 薄膜厚度对临界压入深度及载荷影响
• 3.5 小结
• 第4章 压头诱导的硬质薄膜破坏机制
• 4.1 引言
• 4.2 几何模型及参数
• 4.3 理想薄膜材料
• 4.4 各因素对薄膜本身破坏失效机制影响
• 4.4.1 薄膜残余应力对临界压入深度及载荷影响
• 4.4.2 薄膜厚度对临界压入深度及载荷影响
• 4.5 小结
• 第5章 压头诱导硬质薄膜/韧性基底体系破坏机制
• 5.1 引言
• 5.2 几何模型及参数
• 5.3 各因数对体系破坏失效机制影响
• 5.3.1 界面法向内聚能对薄膜/基底体系破坏失效机制的影响
• 5.3.2 薄膜厚度对薄膜/基底体系破坏失效机制的影响
• 5.3.3 残余应力对薄膜/基底体系破坏失效机制的影响
• 5.4 实验数据结果对比
• 5.5 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果