金屬薄膜材料界面結(jié)合能的表征及界面失效分析.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展，新材料不斷的被研發(fā)和使用。薄膜材料以其特殊的結(jié)構(gòu)和功能而被廣泛的應(yīng)用，但是在工程實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜的使用環(huán)境將導(dǎo)致薄膜材料破壞失效，其中界面開(kāi)裂失效是薄膜材料失效的一種重要形式。薄膜材料界面結(jié)合性能主要由界面結(jié)合能表征，但是測(cè)量薄膜材料界面結(jié)合能時(shí)比較困難且精度不高。因此，簡(jiǎn)單精確測(cè)定薄膜材料的界面結(jié)合能很有必要。當(dāng)薄膜材料界面結(jié)合能較小時(shí)，薄膜材料在變形過(guò)程中界面將會(huì)出現(xiàn)破壞失效，因此研究界面結(jié)合能對(duì)材料變形的影響具有重要

2、意義。本論文首先運(yùn)用有限元模擬薄膜材料的整個(gè)變形過(guò)程，其次通過(guò)鼓包模型得到薄膜材料界面結(jié)合能的表達(dá)式，最終分析了材料加工變形過(guò)程中加工參數(shù)的選擇對(duì)界面性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)基于有限元ABAQUS中擴(kuò)展有限元模塊和內(nèi)聚力模塊的薄膜材料變形模擬。選用擴(kuò)展有限元模塊模擬薄膜變形產(chǎn)生表面裂紋及其擴(kuò)展，選用內(nèi)聚力模塊模擬變形過(guò)程中界面裂紋的萌生及擴(kuò)展。通過(guò)提取模擬過(guò)程中相應(yīng)參數(shù)(表面損傷系數(shù)、界面損傷系數(shù))分析薄膜

3、材料變形破壞過(guò)程。模擬過(guò)程中通過(guò)擴(kuò)展有限元模塊和內(nèi)聚力模塊的運(yùn)用可以真實(shí)的反應(yīng)薄膜材料變形破壞過(guò)程。
　　(2)基于鼓包模型的薄膜材料界面結(jié)合能表達(dá)式的建立。建立二維和三維的鼓包模型，其中界面選用內(nèi)聚力模型表征。首先選定鼓包過(guò)程的孔徑并對(duì)不同界面結(jié)合能下的模型進(jìn)行模擬，其次改變鼓包過(guò)程的孔徑并重復(fù)模擬過(guò)程，最后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到界面結(jié)合能的表達(dá)式。建立的表達(dá)式具有形式簡(jiǎn)單(未知量為臨界壓強(qiáng)、臨界撓度、鼓包孔徑)、未知量測(cè)

4、量方便等優(yōu)點(diǎn)。最終通過(guò)鼓包實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(3)界面結(jié)合能對(duì)薄膜材料變形的影響。在相同界面結(jié)合能下對(duì)不同凹模半徑及摩擦系數(shù)進(jìn)行沖壓模擬，并提取得到界面損傷系數(shù)。通過(guò)分析界面損傷系數(shù)的變化研究加工工藝參數(shù)對(duì)界面性能的影響。通過(guò)模擬得到在相同界面結(jié)合能下，增大凹模倒角半徑及減小摩擦系數(shù)可以減小界面的損傷。同時(shí)變形過(guò)程中薄膜表面產(chǎn)生的裂紋將加劇界面的破壞。在相同界面結(jié)合能下增加凹模倒角半徑及減小摩擦系數(shù)可以提高材料沖壓成品率。