微壓痕實驗的數(shù)值模擬.pdf

1、薄膜材料在微電子、微機電制造、光學等高新領域已經(jīng)得到廣泛應用，然而測定薄膜材料力學性能的方法還不成熟。如何準確和簡單地表征薄膜材料力學特性是固體力學的研究熱點。現(xiàn)代測試技術的飛速發(fā)展，使得基于傳統(tǒng)壓痕實驗的微壓痕實驗技術迅速發(fā)展，通過微壓痕實驗技術可以研究薄膜材料在微小幾何尺寸下的力學特性。但是微壓痕實驗是一種間接的方法，而且實驗成本較大、易受外界環(huán)境影響，同時薄膜材料性能容易受到基體材料影響，不容易得到精確的結果。CAE技

2、術的發(fā)展為微壓痕實驗提供了新的研究方法——計算機模擬實驗。采用計算機模擬可以減小或避免上述問題，因此利用CAE技術來數(shù)值模擬微壓痕實驗成為現(xiàn)代固體力學、材料力學研究的熱點之一。本文利用CAE數(shù)值模擬技術，模擬了均勻材料(銅)和FGM(functionally graded material)材料單次和二次加載的微壓痕實驗過程。首先建立了模擬實驗所采用的有限元模型(單元大小、類型、材料常數(shù)等)，并通過實驗驗證了模型的準確性，然后

3、采用上述模型，模擬梯度材料(FGM)的單次和二次加載微壓痕實驗過程，最后利用一個簡單模型初步考慮了材料的表面粗糙度對微壓痕實驗結果的影響，得到了以下主要結論： 1.建立了微壓痕實驗計算機模擬所采用的有限元模型。本文首先利用微壓痕實驗儀對銅進行實驗研究，得到了單次和二次加載的荷載—壓入深度曲線、硬度(Hu)。然后用商用有限元軟件Marc模擬銅的單次和二次加載，得到了被測材料的應力、應變場和荷載—壓入深度曲線，以及不同荷載深度

4、下平均接觸應力—相對深度曲線等數(shù)據(jù)。將模擬結果與實驗得到的數(shù)據(jù)進行對比，確定了數(shù)值模擬所用的單元大小(合理的單元大小是最小單元90nm)、單元類型(軸對稱四邊形單元)以及計算的合理精度。模擬得到的彈性模量比實驗測定的彈性模量稍大，廣義硬度(Hu)近似等于銅的硬度，而且計算測得的荷載—壓入深度曲線，平均接觸應力—相對深度曲線等數(shù)據(jù)和實驗值誤差在5％以內，因此有限元模型的精確性和可行性得到了實驗的驗證。另外，得到的不同初始壓入深

5、度下的平均接觸應力—相對深度曲線重合性很好，表明對于均勻材料，平均接觸應力—相對深度曲線是不隨初始壓入深度變化而變化的。該曲線存在明顯的拐點，拐點在0.2附近，而且在拐點后曲線趨于水平。 2.利用前面得到的數(shù)值模型，對兩種梯度材料微壓痕實驗進行了模擬。一種梯度材料(FGM-A)是彈性模量E、屈服應力σs隨深度的梯度增加，取10層薄膜依次遞增。另一種梯度材料(FGM-B)是彈性模量E、屈服應力σs隨深度的梯度減少，取10層薄

6、膜依次遞減。通過對這兩種材料的模擬，得到了荷載—壓入深度曲線和隨荷載變化的應力、應變場以及塑性區(qū)的演化。對上述數(shù)據(jù)的分析，得到了材料的硬度值以及平均接觸應力—相對深度曲線，其中平均接觸應力—相對深度曲線的拐點隨材料不同而不同。梯度材料的平均接觸應力—相對深度曲線與銅的不同在于：在曲線拐點后，F(xiàn)GM-A是一條上升的曲線；而FGM-B是一條下降的曲線。改變梯度材料的彈性模量、屈服應力(升高和下降)，得到這兩種梯度材料的平均接觸應

7、力—相對深度曲線有以下規(guī)律：和對應的梯度材料相比，在曲線拐點后，隨著彈性模量、屈服應力的提高，該曲線末端會上升；隨著彈性模量、屈服應力的降低，該曲線末端會下降。 3.為了研究材料的表面粗糙度對微壓痕實驗結果的影響，本文采用了單一球形突起作為表面不平整的情況作數(shù)值模擬。采用和前面相同的單元大小和材料本構模型(銅的本構模型)，得到了材料荷載—壓入深度曲線，并進而研究了材料的硬度和彈性模量。結果表明：和表面平整的均勻材料不同，荷載

8、—壓入深度曲線呈現(xiàn)明顯的階梯狀，大致可以分為三個階段：(i)形變快速增加階段，當初始加載時，銅發(fā)生了較大變形，表現(xiàn)在荷載—位移圖上就是荷載變化不大，但是形變迅速增加；(ii)形變緩慢增加階段，隨著荷載的加大，形變增長緩慢，在荷載—深度曲線表現(xiàn)為斜率較大的一條曲線，一直到加載結束；(iii)彈性形變回彈階段，隨著卸載開始，和均勻材料的荷載—深度曲線相似，發(fā)生彈性回彈，彈性形變很小。同時研究了突起物大小對材料彈性模量和硬度的影響