纳米微硬度实验中多层膜结构的影响分析

纳米微硬度实验中多层膜结构的影响分析

膜层材料广泛应用于许多工程领域。实践和研究表明，在某些情况下，单层膜不能提供足够的表面性能。由中间层和表面层的适当组合形成的多层膜层膜体系通常具有更多的优势。这层膜的周期性结构也展示了惊人的力学、物理、磁学和光学特征。由于每一层的相互影响，整个多层膜系统的性质与组成材料不同，因此对多层膜系统的研究具有重要意义。微硬度法仍然是代表多层膜结构力学特征的主要方法，但由于结构的特殊性，为了更好地研究多层膜结构和测试结果之间的关系，有必要进一步研究多层膜结构和测试结果之间的关系。tian、saka、anderson、colins和朱夫子使用有限法研究了膜层系统在各种受载条件下的应力适应性反应。然而，由于结构、材料参数和承受方式的多变性，很少有对软膜层的影响的全面结论。特别是，膜层中上部组织的组成和结构对材料的适应性没有严格的结论。在这项工作中，我们研究了多层膜组件结构对多层膜梯度反应的影响，并为多层膜微硬度实验提供了一些参考依据：（1）在一定衬底厚度下，软膜层和tin-a-hss层之间的关系分析了膜层中软膜层的影响。（2）在一定衬底厚度下，将软膜层和tin-a-hgs层的厚度进行分析，并分析膜层的内部和外部压力。（3）分析多层膜层数对多层膜梯度的影响；。1vicars硬度压头的建立本文在FEPG有限元程序生成软件平台上对纳米微硬度实验中压头压入膜层过程进行模拟.膜层体系选用的是在30μm厚HSS基底上沉积不同结构和材料组成的膜层体系,并假设膜层与基底间是理想的粘接界面.压头采用的是Vickers硬度压头,如图1.压入过程中压痕附近是局部塑性变形,考虑接触和边界摩擦,接触边界在程序中采用位移控制加载.膜层体系材料采用各向同性的均质的理想弹塑性连续体,并遵循Mises屈服条件.为了提高计算效率,本文简化为平面应变的二维计算,假定压头是刚性的,采用相当于Vickers硬度压头夹角的136°楔形压头来简化Vickers硬度压头,由于结构对称,取受力模型右半部分进行模拟计算.网格采用四结点单元,对压头作用区附近划分较密.2计算2.1x方向应力场计算模型采用的基底材料是HSS,膜层厚度12μm,基底厚度30μm,每层单膜厚3μm,压头压入深度为1.74μm.采用的模型材料主要有:TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多层膜,TiN/Al/TiN/Al/HSS多层膜,组分1是硬膜层为TiN,组分2为软膜层,为Ti或Al.在压头轴线上(图2),两种薄膜的x方向应力场区别不大,这说明在压头下的x方向应力场对材料的改变不是很敏感,沿着y方向,软层材料已经进入塑性,x方向的力主要由硬膜层承担.从τ应力场的比较中可以看出,在TiN/Al/TiN/Al/HSS多层膜顶层TiN组分中的切应力大于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多层膜中的切应力,说明相对硬一些的软膜能有助于减小顶层硬膜中的切应力(图中的横线表示多层膜中的各个界面).而从有效塑性应变的比较中可以看出,两种材料都是在软膜层和压头下出现了塑性变形,且压头下的软膜和硬膜的交界面附近塑性流动最大.从膜基界面处膜层应力的结果比较中可以看出(图3),在x方向应力场中,TiN/Al/TiN/Al/HSS多层膜的x方向最大正应力为0.294GPa,要小于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多层膜中的最大正应力0.381GPa,说明软的软膜层储存应变能大,能够降低界面上x方向的应力;在τ应力场的比较中,TiN/Al/TiN/Al/HSS多层膜的切应力为0.3GPa也要小于TiN/Ti/TiN/Ti/HSS多层膜中的剪应力0.32GPa,这说明软的软膜层能够更好地降低界面的剪应力.通过上面的比较可以看出,在多层膜中,当压头压入深度一定的情况下,较软的软膜储存应变能大,能够起到一定的缓冲作用.但是软膜与上面硬膜交界面的应力会增加,导致硬膜要承受更大的载荷,硬膜在受压过程中起到承担载荷的主要作用,软膜起到传递载荷、储存应变能、缓冲变形的作用.2.2软膜层应力与切应力计算模型具体说明见表1.3个模型压头压入深度一致,都为1.38μm.计算结果的比较见图4.从图4的比较中可以看出,在压头轴线下3种模型顶层硬膜x方向应力结果差别不大,说明在压入深度不变的情况下,压头区下顶层硬膜x方向应力对薄膜厚度不敏感,但在第2层硬膜中,C模型张应力计算结果最大为3.27GPa,A模型居中为3.12GPa,B模型最小为2.45GPa,说明薄的硬膜层能承担x方向更大的张应力.在切应力场中,硬膜中C的切应力最大为0.473GPa,A居中0.466GPa,B最小0.422GPa.在有效塑性应变的比较中可以看出,最上面的软膜中C模型的有效塑性应变最小,A模型居中,B模型最小,说明厚的软膜层能够减小软膜层中的塑性变形.从膜基界面处膜层应力比较图和计算结果中可以看出(图5(a)),3种模型的拉应力和切应力结果比较一致,只是x方向上最大值的位置不同,软膜厚的更靠近压头中线,薄的远些,说明上面厚的软膜层使膜层与基底界面上的应力峰值区域变小了.在膜层表面(图5(b))上可以看出,随着软膜的增厚,膜层表面x方向正应力增大,变化更剧烈了,这说明较厚的软层将引起表面硬膜层表面张应力的增大,更容易引起表面纵向裂纹的扩展,因为增厚软膜层将会使薄膜表面硬度降低,使得压头周围的薄膜表面弯曲曲率半径变大,因此表面的张应力增大.通过上面的比较可以得出,在压头压入深度一定的情况下,增厚软膜将使膜层的应力下降,同时,厚的软膜层能够减小软膜中的塑性应变,减小膜层产生裂纹和剥落的可能,对于靠近表面的膜层来说,增厚软膜层将会使薄膜表面的硬度降低,增大薄膜表面张应力,容易引起表面纵向裂纹扩展,同时也使膜层中的受力更集中在膜层中的硬膜上,使硬膜更容易遭到破坏.2.3膜层数对有效塑性的影响建立了4个模型,分别是A,B,C和D,参数见表2,压头压入深度为1.14μm.从图6中可以看出,在压头作用轴线上,随着层数增加,膜层中x方向最大正应力逐渐减小,如2层膜中正应力最大为3.29GPa,8层膜比2层膜减小了30%,这是因为随着膜层层数增多,膜层整体受力情况趋于均匀,应力不会非常集中于几层膜体上,使得应力结果变小.在切应力场中,4个模型中最大切应力最小的出现在2层膜中,为0.26GPa,比8层膜的最大切应力减小53%,这是因为,两层膜与其它多层膜相比,硬膜相对厚,在压入深度相同的情况下,切应力相对减小了.在有效塑性应变的比较中可以看出,膜层越多,膜层中有效塑性应变越大,由于层数增多使得膜层中的受力更均匀,也使软膜承受了更大的载荷,所以引起有效塑性应变也最大.在膜层与基底的交界面上(图7(a)),8层膜x方向张应力最小,几乎没有张应力,其次是6层膜,4层膜,2层膜,表明层数多的多层膜明显地能降低膜层与基底界面上膜层的x方向应力,在切应力场中也是8层膜的结果最小,其次为6层,4层,2层,但4层膜和2层膜结果差距不大,说明层数多的多层膜也能降低膜层与基底界面上的切应力,这些也是因为层数的增多使得膜层更趋均匀,降低了应力集中,但是当膜层层数较少时变化不是很明显.在膜层的上表面(图7(b)),x方向表面张应力随着层数的增加而增大,8层膜和6层膜结果相差不多,说明层数较多时表面应力对层数的变化不敏感,层数较多时材料趋近于均匀化,参数的变化影响相对变小,因为膜层层数增加将使膜层中每一组分的厚度变薄,使软膜更靠近表面,表面硬度降低,引起压头周围薄膜表面弯曲曲率半径变大,因此表面张应力随着膜层层数的增大而增大.通过上面的比较可以得出,在压头压入深度一定的情况下,增大膜层层数能够很好地保护基底,降低膜层与基底界面间的应力,减小膜层中的张应力,但对于薄膜表层,由于增大膜层层数,使得膜层表面的硬层变薄,表面硬度降低,引起膜层表面在压头压入时变形加剧,张应力变大,容易引起纵向裂纹扩展,同时也使接近表面的软膜塑性应变加大,容易产生裂纹和剥落.3薄膜性能的改善