專利名稱：一種表面薄膜殘余應力的預測方法
技術領域：
本發明涉及表面改性薄膜性能表征領域，尤其涉及一種表面薄膜殘余應力的預測方法。
背景技術：
表面薄膜已經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實現其它的特殊功能。但是在薄膜沉積過程中，由于薄膜與基體的材料物性參數失配，導致在薄膜中存在較大的殘余應力；該殘余應力值可能達到甚至超過薄膜本身的屈服強度，而且會在薄膜/基體界面處產生較大的應力集中。殘余應力可能會嚴重影響薄膜的一些主要性能，如抗剝落及分層能力、疲勞壽命及結合強度等。如何精確預測薄膜內部的殘余應力對薄膜結構的材料及結構設計具有重要的意義，已經成為業內人士近些年來普遍關注的焦點問題。目前用于薄膜殘余應力測量的常見方法有X射線法、Raman光譜法和曲率法。X射線法用于薄膜殘余應力的測定時，往往由于薄膜厚度較小，基體衍射會產生影響，而且薄膜內部往往存在強烈的織構，導致測量結果存有較大誤差；雖然Raman光譜法是近些年來發展比較迅速的方法，但是在用于薄膜的殘余應力測定時，可重復性較差，而且局限于局部位置的應力測試；曲率法雖然可以比較精確而且快速地表征薄膜內部的殘余應力，但是需要薄膜沉積前后試樣曲率的精確測量。由此可見，現在迫切需要研發一種新的表面薄膜殘余應力的預測方法，以滿足薄膜性能的試驗需要。
發明內容
為了解決上述現有技術存在的不足，本發明旨在提供一種表面薄膜殘余應力的預測方法，以給予薄膜的殘余應力合理表征和精確預測，為薄膜的結構和材料設計提供重要支持。本發明所述的一種表面薄膜殘余應力的預測方法，包括以下步驟步驟A、采用四點彎曲實驗，沿拉應力方向放置薄膜，觀測得到薄膜內部裂紋密度隨彎曲應變值變化的關系曲線；步驟B、基于四點彎曲載荷作用下薄膜結構內部的應力傳遞條件，建立薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值關系的理論預測模型；步驟C、根據所述步驟B中的理論預測模型，建立在不同的殘余應力值下的薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值的理論關系曲線；步驟D、將所述步驟C中得到的薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值的理論關系曲線與所述步驟A中實際測得的薄膜內部裂紋密度隨彎曲應變值變化的關系曲線進行比較，選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關系曲線吻合程度最好的理論關系曲線，則該理論關系曲線對應的殘余應力值即為預測的表面薄膜殘余應力。
在上述的表面薄膜殘余應力的預測方法中，所述步驟A包括首先，采用掃描電鏡或者光學顯微鏡觀察薄膜內部裂紋密度D隨彎曲應變值ea 的變化，并記錄在不同的彎曲應變值ε a下的薄膜內部裂紋的數量N;然后，通過公式
權利要求
1.一種表面薄膜殘余應力的預測方法，其特征在于，所述預測方法包括以下步驟 步驟A、采用四點彎曲實驗，沿拉應力方向放置薄膜，觀測得到薄膜內部裂紋密度隨彎曲應變值變化的關系曲線；步驟B、基于四點彎曲載荷作用下薄膜結構內部的應力傳遞條件，建立薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值關系的理論預測模型；步驟C、根據所述步驟B中的理論預測模型，建立在不同的殘余應力值下的薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值的理論關系曲線；步驟D、將所述步驟C中得到的薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值的理論關系曲線與所述步驟A中實際測得的薄膜內部裂紋密度隨彎曲應變值變化的關系曲線進行比較，選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關系曲線吻合程度最好的理論關系曲線，則該理論關系曲線對應的殘余應力值即為預測的表面薄膜殘余應力。
2.根據權利要求1所述的表面薄膜殘余應力的預測方法，其特征在于，所述步驟A包括首先，采用掃描電鏡或者光學顯微鏡觀察薄膜內部裂紋密度D隨彎曲應變值ε a的變 化，并記錄在不同的彎曲應變值ε a下的薄膜內部裂紋的數量N;然后，通過公式D = 計算得到薄膜內部裂紋密度D，式中，L為觀察區間的寬度；最后，建立薄膜內部裂紋密度D隨彎曲應變值ε a變化的關系曲線。
3.根據權利要求1或2所述的表面薄膜殘余應力的預測方法，其特征在于，所述步驟A 還包括通過實驗觀測得到薄膜產生第一條裂紋時的臨界應變值ε。。
4.根據權利要求3所述的表面薄膜殘余應力的預測方法，其特征在于，所述步驟B包括設定薄膜內部裂紋的間距為21 ；薄膜開裂后形成兩個薄膜片段，將每個薄膜片段在長度χ方向的應力表示為
5.根據權利要求4所述的表面薄膜殘余應力的預測方法，其特征在于，所述步驟C包括將不同的殘余應力值\代入式(13) 式(15)中，得到在不同的殘余應力值\下的薄膜內部裂紋密度D與彎曲應變值εa的理論關系曲線。
全文摘要
本發明公開了一種表面薄膜殘余應力的預測方法，它包括以下步驟A、采用四點彎曲實驗，得到薄膜內部裂紋密度隨彎曲應變值變化的關系曲線；B、基于四點彎曲載荷作用下薄膜結構內部的應力傳遞條件，建立薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值關系的理論預測模型；C、根據所述步驟B中的理論預測模型，建立在不同的殘余應力值下的薄膜內部裂紋密度與彎曲應變值的理論關系曲線；D、選擇所述步驟C中與所述步驟A中的關系曲線吻合程度最好的理論關系曲線，則該理論關系曲線對應的殘余應力值即為預測的表面薄膜殘余應力。本發明的方法不僅操作簡單，而且能夠精確預測薄膜的殘余應力，且不受薄膜材料的限制，尤其在薄膜厚度較小時具有明顯優勢。
文檔編號G01L1/00GK102426068SQ20111027218
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者張顯程, 涂善東, 王正東, 軒福貞 申請人:華東理工大學