專利名稱：一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面改性薄膜性能表征領(lǐng)域，尤其涉及一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
表面薄膜已經(jīng)廣泛用于提高基體材料表面的硬度耐磨性及耐腐蝕性能或?qū)崿F(xiàn)其它的特殊功能。但是在薄膜沉積過(guò)程中，由于薄膜與基體的材料物性參數(shù)失配，導(dǎo)致在薄膜中存在較大的殘余應(yīng)力；該殘余應(yīng)力值可能達(dá)到甚至超過(guò)薄膜本身的屈服強(qiáng)度，而且會(huì)在薄膜/基體界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。殘余應(yīng)力可能會(huì)嚴(yán)重影響薄膜的一些主要性能，如抗剝落及分層能力、疲勞壽命及結(jié)合強(qiáng)度等。如何精確預(yù)測(cè)薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士近些年來(lái)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。目前用于薄膜殘余應(yīng)力測(cè)量的常見方法有X射線法、Raman光譜法和曲率法。X射線法用于薄膜殘余應(yīng)力的測(cè)定時(shí)，往往由于薄膜厚度較小，基體衍射會(huì)產(chǎn)生影響，而且薄膜內(nèi)部往往存在強(qiáng)烈的織構(gòu)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存有較大誤差；雖然Raman光譜法是近些年來(lái)發(fā)展比較迅速的方法，但是在用于薄膜的殘余應(yīng)力測(cè)定時(shí)，可重復(fù)性較差，而且局限于局部位置的應(yīng)力測(cè)試；曲率法雖然可以比較精確而且快速地表征薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力，但是需要薄膜沉積前后試樣曲率的精確測(cè)量。由此可見，現(xiàn)在迫切需要研發(fā)一種新的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，以滿足薄膜性能的試驗(yàn)需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，以給予薄膜的殘余應(yīng)力合理表征和精確預(yù)測(cè)，為薄膜的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)提供重要支持。本發(fā)明所述的一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟步驟A、采用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，沿拉應(yīng)力方向放置薄膜，觀測(cè)得到薄膜內(nèi)部裂紋密度隨彎曲應(yīng)變值變化的關(guān)系曲線；步驟B、基于四點(diǎn)彎曲載荷作用下薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力傳遞條件，建立薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值關(guān)系的理論預(yù)測(cè)模型；步驟C、根據(jù)所述步驟B中的理論預(yù)測(cè)模型，建立在不同的殘余應(yīng)力值下的薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值的理論關(guān)系曲線；步驟D、將所述步驟C中得到的薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值的理論關(guān)系曲線與所述步驟A中實(shí)際測(cè)得的薄膜內(nèi)部裂紋密度隨彎曲應(yīng)變值變化的關(guān)系曲線進(jìn)行比較，選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關(guān)系曲線吻合程度最好的理論關(guān)系曲線，則該理論關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值即為預(yù)測(cè)的表面薄膜殘余應(yīng)力。
在上述的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法中，所述步驟A包括首先，采用掃描電鏡或者光學(xué)顯微鏡觀察薄膜內(nèi)部裂紋密度D隨彎曲應(yīng)變值ea 的變化，并記錄在不同的彎曲應(yīng)變值ε a下的薄膜內(nèi)部裂紋的數(shù)量N;然后，通過(guò)公式
權(quán)利要求
1.一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述預(yù)測(cè)方法包括以下步驟 步驟A、采用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，沿拉應(yīng)力方向放置薄膜，觀測(cè)得到薄膜內(nèi)部裂紋密度隨彎曲應(yīng)變值變化的關(guān)系曲線；步驟B、基于四點(diǎn)彎曲載荷作用下薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力傳遞條件，建立薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值關(guān)系的理論預(yù)測(cè)模型；步驟C、根據(jù)所述步驟B中的理論預(yù)測(cè)模型，建立在不同的殘余應(yīng)力值下的薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值的理論關(guān)系曲線；步驟D、將所述步驟C中得到的薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值的理論關(guān)系曲線與所述步驟A中實(shí)際測(cè)得的薄膜內(nèi)部裂紋密度隨彎曲應(yīng)變值變化的關(guān)系曲線進(jìn)行比較，選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關(guān)系曲線吻合程度最好的理論關(guān)系曲線，則該理論關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值即為預(yù)測(cè)的表面薄膜殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟A包括首先，采用掃描電鏡或者光學(xué)顯微鏡觀察薄膜內(nèi)部裂紋密度D隨彎曲應(yīng)變值ε a的變 化，并記錄在不同的彎曲應(yīng)變值ε a下的薄膜內(nèi)部裂紋的數(shù)量N;然后，通過(guò)公式D = 計(jì)算得到薄膜內(nèi)部裂紋密度D，式中，L為觀察區(qū)間的寬度；最后，建立薄膜內(nèi)部裂紋密度D隨彎曲應(yīng)變值ε a變化的關(guān)系曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟A 還包括通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到薄膜產(chǎn)生第一條裂紋時(shí)的臨界應(yīng)變值ε。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟B包括設(shè)定薄膜內(nèi)部裂紋的間距為21 ；薄膜開裂后形成兩個(gè)薄膜片段，將每個(gè)薄膜片段在長(zhǎng)度χ方向的應(yīng)力表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟C包括將不同的殘余應(yīng)力值\代入式(13) 式(15)中，得到在不同的殘余應(yīng)力值\下的薄膜內(nèi)部裂紋密度D與彎曲應(yīng)變值εa的理論關(guān)系曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表面薄膜殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)方法，它包括以下步驟A、采用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，得到薄膜內(nèi)部裂紋密度隨彎曲應(yīng)變值變化的關(guān)系曲線；B、基于四點(diǎn)彎曲載荷作用下薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力傳遞條件，建立薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值關(guān)系的理論預(yù)測(cè)模型；C、根據(jù)所述步驟B中的理論預(yù)測(cè)模型，建立在不同的殘余應(yīng)力值下的薄膜內(nèi)部裂紋密度與彎曲應(yīng)變值的理論關(guān)系曲線；D、選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關(guān)系曲線吻合程度最好的理論關(guān)系曲線，則該理論關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值即為預(yù)測(cè)的表面薄膜殘余應(yīng)力。本發(fā)明的方法不僅操作簡(jiǎn)單，而且能夠精確預(yù)測(cè)薄膜的殘余應(yīng)力，且不受薄膜材料的限制，尤其在薄膜厚度較小時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01L1/00GK102426068SQ20111027218
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者張顯程, 涂善東, 王正東, 軒福貞 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)