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薄膜材料在微电子、微机电制造、光学等高新领域已经得到广泛应用,然而
测定薄膜材料力学性能的方法还不成熟。如何准确和简单地表征薄膜材料力学特
性是固体力学的研究热点。现代测试技术的飞速发展,使得基于传统压痕实验的
微压痕实验技术迅速发展,通过微压痕实验技术可以研究薄膜材料在微小几何尺
寸下的力学特性。但是微压痕实验是一种间接的方法,而且实验成本较大、易受
外界环境影响,同时薄膜材料性能容易受到基体材料影响,不容易得到精确的结
果。CAE技术的发展为微压痕实验提供了新的研究方法——计算机模拟实验。
采用计算机模拟可以减小或避免上述问题,因此利用CAE技术来数值模拟微压
痕实验成为现代固体力学、材料力学研究的热点之一。本文利用CAE数值模拟
技术,模拟了均匀材料(铜)和FGM(functionally graded material)材料单次和二
次加载的微压痕实验过程。首先建立了模拟实验所采用的有限元模型(单元大小、
类型、材料常数等),并通过实验验证了模型的准确性,然后采用上述模型,模
拟梯度材料(FGM)的单次和二次加载微压痕实验过程,最后利用一个简单模
型初步考虑了材料的表面粗糙度对微压痕实验结果的影响,得到了以下主要结
论:
1.建立了微压痕实验计算机模拟所采用的有限元模型。本文首先利用微压
痕实验仪对铜进行实验研究,得到了单次和二次加载的荷载—压入深度曲线、硬
度(Hu)。然后用商用有限元软件Marc模拟铜的单次和二次加载,得到了被测
材料的应力、应变场和荷载—压入深度曲线,以及不同荷载深度下平均接触应力
—相对深度曲线等数据。将模拟结果与实验得到的数据进行对比,确定了数值模
拟所用的单元大小(合理的单元大小是最小单元90nm)、单元类型(轴对称四边
形单元)以及计算的合理精度。模拟得到的弹性模量比实验测定的弹性模量稍大,
广义硬度(Hu)近似等于铜的硬度,而且计算测得的荷载—压入深度曲线,平
均接触应力—相对深度曲线等数据和实验值误差在5%以内,因此有限元模型的
精确性和可行性得到了实验的验证。另外,得到的不同初始压入深度下的平均接
触应力—相对深度曲线重合性很好,表明对于均匀材料,平均接触应力—相对深
度曲线是不随初始压入深度变化而变化的。该曲线存在明显的拐点,拐点在0.2
附近,而且在拐点后曲线趋于水平。
2.利用前面得到的数值模型,对两种梯度材料微压痕实验进行了模拟。一
种梯度材料(FGM-A)是弹性模量E、屈服应力σs随深度的梯度增加,取10层
薄膜依次递增。另一种梯度材料(FGM-B)是弹性模量E、屈服应力σs随深度
的梯度减少,取10层薄膜依次递减。通过对这两种材料的模拟,得到了荷载—
压入深度曲线和随荷载变化的应力、应变场以及塑性区的演化。对上述数据的分
析,得到了材料的硬度值以及平均接触应力—相对深度曲线,其中平均接触应力
—相对深度曲线的拐点随材料不同而不同。梯度材料的平均接触应力—相对深度
曲线与铜的不同在于:在曲线拐点后,FGM-A是一条上升的曲线;而FGM-B
是一条下降的曲线。改变梯度材料的弹性模量、屈服应力(升高和下降),得到
这两种梯度材料的平均接触应力—相对深度曲线有以下规律:和对应的梯度材料
相比,在曲线拐点后,随着弹性模量、屈服应力的提高,该曲线末端会上升;随
着弹性模量、屈服应力的降低,该曲线末端会下降。
3.为了研究材料的表面粗糙度对微压痕实验结果的影响,本文采用了单一
球形突起作为表面不平整的情况作数值模拟。采用和前面相同的单元大小和材料
本构模型(铜的本构模型),得到了材料荷载—压入深度曲线,并进而研究了材
料的硬度和弹性模量。结果表明:和表面平整的均匀材料不同,荷载—压入深度
曲线呈现明显的阶梯状,大致可以分为三个阶段:(i)形变快速增加阶段,当初
始加载时,铜发生了较大变形,表现在荷载—位移图上就是荷载变化不大,但是
形变迅速增加;(ii)形变缓慢增加阶段,随着荷载的加大,形变增长缓慢,在荷
载—深度曲线表现为斜率较大的一条曲线,一直到加载结束;(iii)弹性形变回
弹阶段,随着卸载开始,和均匀材料的荷载—深度曲线相似,发生弹性回弹,弹
性形变很小。同时研究了突起物大小对材料弹性模量和硬度的影响,结果表明:
材料表面粗糙度对材料弹性模量的影响很大且没有明显的规律,而硬度随半径变
小而变大。上述结果暗示:如果实验中压头恰好压在圆形突起体上,则根据实验
测定的硬度、弹性模量是不准确的。
关键词:微压痕实验,数值模拟,薄膜材料,材料特性,CAE技术