基于鼓包法的薄膜应力应变关系表征

发布时间：2017-07-01 03:03

  本文关键词：基于鼓包法的薄膜应力应变关系表征，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微纳米技术的飞速发展,各种新材料不断涌现。薄膜材料因其具有的特殊结构和功能而得到广泛应用。在实际应用中,薄膜元器件所处的复杂服役环境常常导致其应力和应变失配而产生开裂、剥落等现象。材料的应力应变关系可以直观的表示出材料的弹塑性变形规律,在工程上具有重要的指导作用。因此,研究薄膜材料应力应变关系的表征方法是非常有必要的。鼓包法是少数能够通过一次鼓包实验同时得到薄膜材料的弹性模量、残余应力、界面结合能等力学参数的表征方法之一。现有的鼓包测试模型主要针对的是薄膜材料的弹性模量、残余应力和界面结合能等参数,对薄膜材料的应力应变关系进行的相关研究工作较少。本文首先基于鼓包法分析了薄膜的弹性模量求解方法,然后对小挠度下薄膜的应力场进行了理论分析,得出薄膜的屈服强度,最后推导了鼓包法表征薄膜应变硬化指数的理论模型并通过有限元软件对其进行了验证。综合这三个力学参数结合弹塑性本构方程得到了镍薄膜的应力应变曲线。主要的研究内容如下:(1)分别对表征薄膜应力应变关系的三个参数:弹性模量、屈服强度和应变硬化指数进行了理论分析。首先研究了目前应用较为广泛的基于鼓包法的测量薄膜材料弹性模量的理论模型,在这些理论模型的基础上提出了小挠度下测量薄膜屈服强度的方法,根据压力与中心点挠度的关系,得出薄膜的弹性模量,然后从小挠度变形理论出发得出了薄膜变形的应力场,并分析了如何根据此应力场去求解薄膜的屈服强度,最后推导了基于鼓包法求解薄膜材料应变硬化指数的理论模型。(2)用本课题自行研制的鼓包装置进行鼓包实验,结合第二章提出的小挠度变形理论模型得出镍薄膜的弹性模量和屈服强度,并将其结果与同种材料下的拉伸结果进行了比较。将自由镍膜粘接到基底上的方式制备鼓包样品,进行了多组鼓包实验,得出的结果与拉伸实验的结果吻合的很好,说明用该方法测量薄膜的力学性能是可行的。(3)建立三维有限元鼓包模型,模拟鼓包实验过程,结合鼓包实验对镍膜的应变硬化指数进行表征,最后给出了镍膜的应力应变曲线。首先通过前面测得的镍膜的屈服强度对该模型的正确性进行了验证,然后结合鼓包实验和该模型对镍膜的应变硬化指数进行了表征,并通过理论分析结合鼓包实验对该结果进行了验证。最后综合其弹性模量、屈服强度和应变硬化指数应用弹塑性本构方程,得出了镍薄膜的应力-应变曲线。本文基于鼓包法结合理论分析、实验测试和有限元模拟对薄膜材料的应力应变关系进行了表征。该研究成果为薄膜材料力学性能的准确测量提供了依据,为薄膜材料的应用提供了指导作用,具有非常重要的意义。
【关键词】：鼓包法 应力应变关系 力学性能 镍薄膜 有限元模拟
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 薄膜材料简介9-10
• 1.1.1 薄膜材料概述9
• 1.1.2 薄膜材料的应用9-10
• 1.1.3 薄膜材料力学性能10
• 1.2 薄膜材料应力应变关系表征方法10-14
• 1.2.1 拉伸法11-12
• 1.2.2 纳米压痕法12-14
• 1.3 鼓包法14-16
• 1.4 有限元软件ABAQUS简介16-18
• 1.5 本文的选题依据与主要研究内容18-20
• 第2章 鼓包法表征薄膜应力应变关系的理论模型20-31
• 2.1 引言20-21
• 2.2 鼓包法表征薄膜的弹性模量21-26
• 2.2.1 小挠度方形窗口膜21-24
• 2.2.2 小挠度圆形窗口膜24-26
• 2.3 鼓包法表征薄膜屈服强度26-28
• 2.3.1 小挠度圆形窗口膜的等效应力场26-28
• 2.3.2 根据膜内等效应力场求薄膜屈服强度28
• 2.4 鼓包法表征薄膜应变硬化指数28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 小挠度下表征镍膜的弹性模量和屈服强度31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 鼓包实验31-36
• 3.2.1 鼓包实验装置概述31-33
• 3.2.2 实验样品的制备33-34
• 3.2.3 鼓包实验过程34-35
• 3.2.4 实验数据处理35-36
• 3.3 鼓包实验结果分析36-41
• 3.3.1 镍膜弹性模量和屈服强度的确定36-39
• 3.3.2 拉伸实验验证39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 鼓包法表征镍膜应变硬化指数42-51
• 4.1 鼓包实验的有限元模型42-44
• 4.1.1 三维有限元模型的建立42-44
• 4.1.2 数据处理流程44
• 4.2 有限元计算结果及分析44-48
• 4.2.1 有限元模型的验证44-47
• 4.2.2 应变硬化指数模拟求解47-48
• 4.3 基于理论推导和鼓包实验求解镍膜的应变硬化指数48-49
• 4.4 应力应变曲线49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第5章 总结与展望51-53
• 5.1 论文总结51-52
• 5.2 工作展望52-53
• 参考文献53-57
• 致谢57-58
• 附录：个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果58

  本文关键词：基于鼓包法的薄膜应力应变关系表征，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：504333