軟硬交替多層膜應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的分析.doc
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軟硬交替多層膜應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的分析,全文7頁4266字?jǐn)⑹稣媲姓獮榱藢浻步惶娑鄬颖砻婺ぴ谀チＷ饔孟碌膽?yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、膜層界面剝離和裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展的影響等有一個定量和全面的了解，從而為多層表面膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，采用大變形彈塑性有限元法對高速鋼基體上的tin/ti/tin/ti多層膜在法向壓痕作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了...
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軟硬交替多層膜應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的分析
全文7頁4266字 敘述真切
摘要 為了對軟硬交替多層表面膜在磨粒作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、膜層界面剝離和裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展的影響等有一個定量和全面的了解，從而為多層表面膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，采用大變形彈塑性有限元法對高速鋼基體上的TiN/Ti/TiN/Ti…多層膜在法向壓痕作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了模擬和分析。為了研究膜層數(shù)和膜厚的影響，對從單層到16層的不同膜層體系進(jìn)行了計(jì)算。通過對膜層的變形、最大應(yīng)力隨膜層數(shù)的變化、界面切應(yīng)力分布和表面張應(yīng)力分布等的分析得出了這些參數(shù)的分布及其隨載荷和膜層數(shù)的變化規(guī)律。這些結(jié)果將為多層膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供定量的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：多層膜 有限元法 界面 應(yīng)力 設(shè)計(jì)
STRESS AND STRAIN ANALYSIS OF
ALTERNATE HARD AND SOFT
MULTILAYERS
Zhu Youli Xu Binshi Ma Shining
（Armoured Forces Engineering Institute）
Abstract For a quantitative and better understanding of the stress and strain responses and their effects on interface debonding and crack initiation and propagation of alternative hard and soft multilayers under contact loading,to explore methodologies of optimum design of surface multilayers,large strain elasto?plastic finite element method is used to evaluate the mechanical behaviors of TiN/Ti/TiN/Ti…multilayer films on high speed steel substrate under hard asperity indentation.Calculations are conducted on different film systems from single to 16 layers to investigate the effects of layer numbers and film thickness.Based upon analysis of film deformation,maximum bending stress,interfacial shear stress,and surface tensile stress,the development of these parameters via layer numbers and the applied load was better understood,which is expected to provide sound basis for the optimum design of multilayer film structures.
Key words：Multilayer films Finite element method Interface Stress Design
0 前言
實(shí)踐和研究表明，在某些情況下單層薄膜并不能提供充分的表面性能。在這種情況下由基體、中間層和表面層的恰當(dāng)組合形成的表面多層膜體系往往顯示出更多的優(yōu)越性。已經(jīng)認(rèn)識到一些現(xiàn)象，比如，由于“超模量”效應(yīng)而引起的表面硬度的大幅度提高、引入與基體表面平行的界面對裂紋擴(kuò)展的“偏折”作用［1］，以及由于對位錯運(yùn)動的阻礙作用而造成的表面硬度的提高［2］等。但是，由于缺乏普遍和詳細(xì)的理論模型，在表面多層膜的研究發(fā)展中多以試錯法為主要手段，這使得很難達(dá)到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。為了真正達(dá)到“設(shè)計(jì)表面”不僅應(yīng)從材料學(xué)的角度考慮問題，而且也不能忽視表面膜層體系在摩擦學(xué)應(yīng)用中作為一個復(fù)雜的力學(xué)體系所表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。
結(jié)論
(1)在軟硬交替多層膜體系中，軟層將起到剪切帶的作用，使得硬層之間可以在保持底應(yīng)力水平的情況下產(chǎn)生一定的“相對滑動”，以緩解膜層的內(nèi)應(yīng)力和界面應(yīng)力。
(2)在小載荷作用下最大彎曲應(yīng)力曲線隨膜層數(shù)的增加呈非單調(diào)變化，表明，在小載荷范圍內(nèi)存在有最危險的膜層數(shù)。在大載荷時，隨層數(shù)的增加最大應(yīng)力曲線呈單調(diào)下降的變化趨勢，增加層數(shù)減小層厚將會大幅度降低最大彎曲應(yīng)力。
(3)在小載荷作用時，膜層較多的體系頂層接觸區(qū)附近的表面水平張應(yīng)力相對于膜層較少的體系來說要大。當(dāng)載荷增大時情況正好相反，較多的膜層數(shù)會降低該應(yīng)力值。
全文7頁4266字 敘述真切
摘要 為了對軟硬交替多層表面膜在磨粒作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、膜層界面剝離和裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展的影響等有一個定量和全面的了解，從而為多層表面膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，采用大變形彈塑性有限元法對高速鋼基體上的TiN/Ti/TiN/Ti…多層膜在法向壓痕作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了模擬和分析。為了研究膜層數(shù)和膜厚的影響，對從單層到16層的不同膜層體系進(jìn)行了計(jì)算。通過對膜層的變形、最大應(yīng)力隨膜層數(shù)的變化、界面切應(yīng)力分布和表面張應(yīng)力分布等的分析得出了這些參數(shù)的分布及其隨載荷和膜層數(shù)的變化規(guī)律。這些結(jié)果將為多層膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供定量的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：多層膜 有限元法 界面 應(yīng)力 設(shè)計(jì)
STRESS AND STRAIN ANALYSIS OF
ALTERNATE HARD AND SOFT
MULTILAYERS
Zhu Youli Xu Binshi Ma Shining
（Armoured Forces Engineering Institute）
Abstract For a quantitative and better understanding of the stress and strain responses and their effects on interface debonding and crack initiation and propagation of alternative hard and soft multilayers under contact loading,to explore methodologies of optimum design of surface multilayers,large strain elasto?plastic finite element method is used to evaluate the mechanical behaviors of TiN/Ti/TiN/Ti…multilayer films on high speed steel substrate under hard asperity indentation.Calculations are conducted on different film systems from single to 16 layers to investigate the effects of layer numbers and film thickness.Based upon analysis of film deformation,maximum bending stress,interfacial shear stress,and surface tensile stress,the development of these parameters via layer numbers and the applied load was better understood,which is expected to provide sound basis for the optimum design of multilayer film structures.
Key words：Multilayer films Finite element method Interface Stress Design
0 前言
實(shí)踐和研究表明，在某些情況下單層薄膜并不能提供充分的表面性能。在這種情況下由基體、中間層和表面層的恰當(dāng)組合形成的表面多層膜體系往往顯示出更多的優(yōu)越性。已經(jīng)認(rèn)識到一些現(xiàn)象，比如，由于“超模量”效應(yīng)而引起的表面硬度的大幅度提高、引入與基體表面平行的界面對裂紋擴(kuò)展的“偏折”作用［1］，以及由于對位錯運(yùn)動的阻礙作用而造成的表面硬度的提高［2］等。但是，由于缺乏普遍和詳細(xì)的理論模型，在表面多層膜的研究發(fā)展中多以試錯法為主要手段，這使得很難達(dá)到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。為了真正達(dá)到“設(shè)計(jì)表面”不僅應(yīng)從材料學(xué)的角度考慮問題，而且也不能忽視表面膜層體系在摩擦學(xué)應(yīng)用中作為一個復(fù)雜的力學(xué)體系所表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。
結(jié)論
(1)在軟硬交替多層膜體系中，軟層將起到剪切帶的作用，使得硬層之間可以在保持底應(yīng)力水平的情況下產(chǎn)生一定的“相對滑動”，以緩解膜層的內(nèi)應(yīng)力和界面應(yīng)力。
(2)在小載荷作用下最大彎曲應(yīng)力曲線隨膜層數(shù)的增加呈非單調(diào)變化，表明，在小載荷范圍內(nèi)存在有最危險的膜層數(shù)。在大載荷時，隨層數(shù)的增加最大應(yīng)力曲線呈單調(diào)下降的變化趨勢，增加層數(shù)減小層厚將會大幅度降低最大彎曲應(yīng)力。
(3)在小載荷作用時，膜層較多的體系頂層接觸區(qū)附近的表面水平張應(yīng)力相對于膜層較少的體系來說要大。當(dāng)載荷增大時情況正好相反，較多的膜層數(shù)會降低該應(yīng)力值。
