压痕脱层试验方法中的力学问题研究

论文摘要

本论文依据Von Karman非线性理论，提出了新的压痕实验薄膜／基体系统中脱层薄膜的屈曲分析力学模型。提出用耦合的线性弹簧模型来表示基体变形对脱层薄膜屈曲行为的影响，用量纲分析和有限元方法计算给出线弹簧的柔度系数。基于界面断裂力学理论，提出了借助于通用有限元程序计算界面应力强度因子的方法，计算得出脱层屈曲薄膜裂纹尖端的应力强度因子计算公式。用打靶法求解薄膜的非线性屈曲问题，并计算出薄膜发生屈曲变形时的临界应力。对于薄膜与基体之间的不同弹性错配系数，给出应力强度因子、能量释放率以及相位角。结果表明，在薄膜的脱层屈曲分析中必须考虑基体变形的影响。在脱层薄膜屈曲分析的基础上，提出新的压痕试验方法力学模型，并对模型进行数值计算，得到临界塑性区尺寸，裂纹尖端的应力强度因子，能量释放率以及相位角。得到的结果与目前通用方法给出的结果进行对比，发现有几倍的差别。结果表明，塑性区的尺寸，以及压痕应力对脱层薄膜的后屈曲行为有很大的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 压痕试验方法概述
• 1.2 压痕试验方法中的基本理论以及存在的问题
• 1.3 主要研究内容及研究方案
• 第二章 弹性基体上圆形脱层薄膜屈曲模型研究
• 2.1 圆盘的稳定性方程
• 2.2 临界状态及后屈曲控制方程
• 2.3 基体变形的线弹簧模型
• 2.3.1 柔度矩阵和柔度系数
• 2.3.2 柔度系数的比较
• 2.4 边界条件
• 2.5 无量纲化的控制方程和边界条件
• 2.6 摄动法和临界屈曲应力
• 2.7 后屈曲分析
• 2.8 应力强度因子、能量释放率和相位角
• 2.8.1 应力强度因子
• 2.8.2 能量释放率和相位角
• 2.8.3 数值结果
• 2.9 小结
• 第三章 考虑压痕载荷时圆形脱层薄膜的屈曲研究
• 3.1 脱层薄膜中的压痕载荷
• 3.2 没有屈曲时的能量释放率
• 3.3 屈曲问题的基本方程和边界条件
• 3.4 无量纲化的控制方程和边界条件
• 3.5 后屈曲分析方法
• 3.5.1 塑性区临界尺寸
• 3.5.2 能量释放率和相位角
• 3.6 小结
• 第四章 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录