脆性薄膜的失效及其对基体的影响

发布时间：2020-11-07 14:25

　　 脆性薄膜(或涂层)由于其良好的耐磨、耐蚀、耐热等性能,被广泛地应用于保护金属基体不受恶劣环境的影响,从而提高其服役寿命。但是,由于其较差的韧性,在内、外应力及环境(温度、湿度)的共同作用下,薄膜表面容易萌生微裂纹。微裂纹的扩展,除了会导致薄膜自身的失效外,甚至还会造成脆性基体的开裂,从而制约着薄膜的应用。本论文通过研究脆性薄膜的失效及其对基体的影响,获得如下研究结果:(1)TiN薄膜或者WC-10%Co-4%Cr涂层可以造成韧性基体(纯铁、AISI 1020钢、黄铜)的解理开裂;涂层-基体的短程交互作用以及涂层的快速开裂可以抑制近表面基体的塑性变形,从而导致韧性基体的解理开裂;基于能量守恒原理,涂层越厚,涂层开裂前积累的能量越大,裂纹开裂的能量释放率越高,从而更显著地降低基体的韧性。(2)当薄膜的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数时,升高温度会造成薄膜表面圆形鼓泡的形成。基于退火后薄膜表面的圆形鼓泡,我们成功表征了 TiN膜-Si基体在300 ℃-500 ℃温度区间的结合能,随着温度的升高,结合能先升高后下降。Si基体中随温度升高而逐渐增加的塑性变形能是所测结合能升高的原因;膜-基界面的局部结晶导致了结合能的下降。(3)通过将TiN薄膜沉积在304SS基体的侧边,在三点弯曲加载下,我们发现压应力能导致平行于外应力方向的横向裂纹形成。薄膜发生屈曲前,304SS基体更大泊松比是压应力区TiN膜开裂的原因;基于剪切滞后模型,我们给出了应力在薄膜中的分布。薄膜发生屈曲后,膜、基泊松比不匹配以及薄膜的屈曲两者共同作用导致横向裂纹的形成。(4)TiN膜抑制304SS基体中位错的溢出,使得位错在膜下方塞积并产生应力集中,从而促进TiN薄膜的开裂和膜-基界面的开裂;膜-基界面开裂后,塞积的位错溢出形成滑移台阶,降低薄膜发生屈曲的临界应变,从而促进薄膜的脱落。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：

在薄膜碎片中间，薄膜的位移为０，即４“％二０）?＝?０。另??于薄膜开裂，薄膜中的应力得到释放，即＝?士１／２）?＝?０。由胡??可知：??＾■０?＝?ＴＴ＾（＾＋Ｖ＾）?（２－４）Ｙ?Ｃ??（２．５）ｄｘ?１?－?ｖ］?ｄｘ２??移量Ｗｗ＝＾ｃ，这里ｆ是外加应变，由式子（２－３）和（２－５）可得：??皆＝?＊（、，）?（２－６是应力传导长度，＾?＝?＾／ｉ／Ｇｉｎｔ（ｌ－ｖ２），如图２．１（ｂ）所示。??

＋?ＹＺ＾［￡ｒｅｓ?Ｉ１?＋?Ｖｃ）?＋?Ｉ１?＊?ＶｃＶｓ）｛￡－￡ｅ，）］??这里＆为基体的极限弹性应变。通过拉曼光谱法表征ＤＬＣ膜碎片中残余应??力沿长度方向的分布，验证了式（２－９）的可靠性，如图２．３所示。??－６?－??

?Ｔｉ?＝?０??Ｃｃ）?＼??图２．２正应力以及界面剪切力在薄膜碎片中沿长度方向的分布［１９１??上面的分析是基于基体的变形处于弹性变形的情况下，然而对于金属基??体来说，其临界塑性变形很小，很容易发生塑性变形。于是会造成应力的传??导与弹性变形时不同，所以上述分析具有一定的局限性。另外当薄膜开裂后??只能释放外应力，薄膜的内应力并没有释放。于是Ａｈｍｅｄ等人在Ｈｓｕｅｈ等人??［１５］以及Ｆｒａｎｋ等人［３］的研宄基础上，通过修改边界条件以及考虑基体塑性??变形的影响，提出应力在薄膜碎片的分布为［１９］：??ａ?＝＾（ｌ－ｖｖ）Ｔｌ－?ＣＯｓｈ（＾＾）ｌ??－Ｌｌ－ｖｃ２１?ｃｏｓｈ（Ｌ／２＾）Ｊ?（２９）??＋?ＹＺ＾［￡ｒｅｓ?Ｉ１?＋?Ｖｃ）?＋?Ｉ１?＊?ＶｃＶｓ）｛￡－￡ｅ，）］??这里＆为基体的极限弹性应变。通过拉曼光谱法表征ＤＬＣ膜碎片中残余应??力沿长度方向的分布
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本文编号：2874068