Ti-Si-N体系薄膜力学性能的模拟研究

发布时间：2017-06-13 07:04

  本文关键词：Ti-Si-N体系薄膜力学性能的模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Ti-Si-N薄膜以其高硬度、抗高温氧化性能好、摩擦系数小、弹性模量高、和基体的结合力强、热稳定性优良等性能正在成为超硬材料研究领域里的研究热点。本文基于商用有限元软件Abaqus,研究了氮化硅含量、弹性模量及TiN晶粒尺寸、多层结构对Ti-Si-N体系薄膜材料的力学性能的影响,并将部分计算结果与实验进行了实验验证。论文主要结论如下：1.在多层TiN/SiN.../TiN模型中,随着中间层SiN相含量的增加,其对应力集中的阻碍作用越强,Ti-Si-N体系薄膜材料的韧性逐渐增加；TiN与SiN弹性模量相差越小,多层结构对韧性的提高作用更明显；保持SiN, TiN相含量不变,随着薄膜层数的增加,层内局部应力集中缓解,但是层间应力集中增加,薄膜韧性随着薄膜层数的增加先显著增加后保持恒定。2.在柱状晶模型中,完全加载后,Mises应力和S12切应力随着柱状晶粒尺寸的减小分布更均匀,应力集中逐渐减小；卸载后,等效塑性应变分散度更好。但到达临界点后薄膜的韧性不会继续大幅增加。3.纳米复合结构中,SiN相可以阻碍应力集中区的扩展,减小整个纳米复合模型的应力；随着TiN晶粒尺寸的减小,Mises及S12切应力均呈减少趋势,Ti-Si-N模型材料的韧性是逐渐增加的;当TiN和SiN相含量相当时,纳米复合结构材料韧性大致和16列柱状结构相当；此外,复合结构薄膜在形变过程中均发生了塑性应变。
【关键词】：Ti-Si-N 纳米压痕 应力 应变 韧性 数值模拟
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 选题背景9
• 1.2 纳米复合硬质涂层韧性的研究现状9-13
• 1.3 纳米压痕技术13-17
• 1.3.1 纳米压痕的一般概念13-14
• 1.3.2 纳米压痕技术的理论基础14-16
• 1.3.3 纳米压痕技术的应用16-17
• 1.4 国内外压痕试验的仿真研究17-19
• 1.4.1 分子动力学仿真17-18
• 1.4.2 有限元仿真18-19
• 1.5 弹性力学与有限元方法19-22
• 1.5.1 弹性力学简介19-20
• 1.5.2 有限元基础理论20-21
• 1.5.3 高级有限元分析21-22
• 1.6 本课题研究的主要内容22-23
• 第二章 纳米压痕测量过程的有限元仿真23-34
• 2.1 非线性有限元软件ABAQUS简介23-26
• 2.1.1 ABAQUS程序概述24-25
• 2.1.2 ABAQUS模块和分析步骤25-26
• 2.2 几何模型26-28
• 2.2.1 压头模型的几何形状27-28
• 2.2.2 被测试样和基底的几何形状28
• 2.3 定义材料属性和生成装配件28-29
• 2.4 定义分析步及接触边界条件29-31
• 2.5 划分网格31
• 2.6 生成、运行作业31
• 2.7 输出结果31-33
• 2.8 有限元模型验证33-34
• 第三章 多层结构Ti-Si-N体系模型建立和结果分析34-57
• 3.1 模型的构建34-35
• 3.2 氮化硅含量对Ti-Si-N多层薄膜力学性能的影响35-42
• 3.2.1 应力和应变分析35-40
• 3.2.2 纳米压痕实验验证和模拟优化40-42
• 3.3 SiN弹性模量对Ti-Si-N薄膜力学性能的影响42-49
• 3.3.1 应力和应变分析43-47
• 3.3.2 载荷-位移曲线分析47-49
• 3.4 层数对材料Ti-Si-N薄膜力学性能的影响49-56
• 3.4.1 应力和应变分析49-55
• 3.4.2 载荷-位移曲线分析55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 柱状结构Ti-Si-N体系模型建立和结果分析57-66
• 4.1 模型的构建57-58
• 4.2 多列柱状结构对材料力学性能的影响58-65
• 4.2.1 应力和应变分析58-63
• 4.2.2 载荷-位移曲线分析63-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 纳米复合结构Ti-Si-N体系模型建立和结果分析66-77
• 5.1 模型的构建66-67
• 5.2 复合结构氮化钛相含量对材料力学性能的影响67-76
• 5.2.1 应力和应变分析67-74
• 5.2.2 载荷-位移曲线分析74-76
• 5.3 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-78
• 参考文献78-85
• 硕士期间发表的论文85-86
• 致谢86

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