动态结合强度试验机的研制及应用

介绍了滚动接触疲劳法测定硬质薄膜膜基界面疲劳强度的方法，以及动态结合强度试验机的原理、结构及其应用。试验结果表明，用该试验机测得的膜基界面疲劳强度能定量地反映膜基界面之间的结合强度，且该方法对膜的成分和基体表面状态等界面因素敏感，而对基体硬度和膜层厚度等非界面因素不敏感。     

线接触作用下超薄膜-基底界面力学分析

高副接触的摩擦部件中广泛使用1 μm左右的超薄膜,其界面失效对部件的工作寿命具有重要影响。该文针对轴承钢基底表面1 μm厚度的硬质和软质超薄膜所构成的膜基系统,建立了线接触载荷作用下的界面力学分析模型。采用复变函数镜像法求解了单元点力的格林函数解,并积分获得了界面应力的分布状态。利用匀质模型完成了退化对比验证,以DLC和MoS₂两种硬软固体薄膜的线接触为例进行了计算和分析。该方法可用于机械部件表面沉积超薄膜的膜基界面分析与设计。     

磁控溅射铜膜与基底结合强度的分析研究

根据磁控溅射金属铜膜在超声清洗中从硅基底上发生剥落的现象,分析了样品在声场中的运动和受力状态,发现样品会发生受迫振动,拉-拉周期应力引起膜基界面的失效是薄膜脱落的主要原因,而空化作用是次要原因。通过建立的力学模型,计算了膜基结合强度。与划痕法等所测得的膜基结合强度值的比较,计算值与测量值在数量级和与溅射参数变化趋势上有很好的吻合。此评价方法可以应用于溅射铜膜/多晶金刚石的膜基体系上,并研究了超声参数、基底表面形貌、基底成份等因素对膜基结合强度的影响。     

新型界面结合强度检测技术理论及实验研究

膜/基界面结合强度的测量与评价已成为硬质薄膜技术发展与应用的关键问题.提出了1种新的测量方法———激光冲击检测技术,分析了在脉冲激光作用下,薄膜脱落的机理与数学模型.以测定TiN薄膜界面结合强度为例,用650～1000 mJ的脉冲激光对膜层进行加载,并采用体式显微镜和扫描电镜对薄膜的脱落情况进行表面观察,根据反射信号检...     

无限弹性基底上热电薄膜的屈曲行为研究

本文研究了热电薄膜粘合到弹性基底结构的屈曲行为．将界面剪切应力和薄膜的轴向应力结合起来,建立了热电薄膜的计算模型,利用边界条件将所求问题转化为一个奇异积分方程．通过使用切比雪夫多项式展开求解奇异积分方程,得到归一化应力强度因子．确定了膜厚度和基材与膜刚度比对薄膜应力和界面应力强度因子的影响．讨论了薄膜长度和厚度比对薄膜应力和界面应力强度因子的影响．结果显示薄膜和基底之间的刚度比对薄膜的应力水平有着较明显的影响．     

残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底材料体系界面分层机制的影响

硬质薄膜在工程应用中经常承受高载荷作用。在接触载荷下,薄膜/基底体系通常产生剪切分层破坏和法向分层破坏,并直接影响材料的可靠性。硬质薄膜中较大的残余应力对界面分层破坏影响不容忽视。该文基于内聚力模型,采用有限元方法模拟残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏的影响规律;给出在不同残余应力下薄膜/基底界面分层破坏时的临界压入深度以及临界载荷;获得考虑残余应力时硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏失效图,进而对薄膜材料的工程应用和采用压痕法测量界面结合性能提供指导。     

激光划痕界面失效进程研究

1、引言 薄膜技术是材料提高表面性能的重要手段之一.膜基界面结合性能是影响表面薄膜质量的首要指标,其在很大程度上决定了薄膜应用的可靠性和和使用寿命.界面结合强度有工程结合强度(practical adhesion)和本征结合强度(foudamental or intrinsic adhension)两种形式,本征结合强度是相接触的两材料界面的所有分子间作用力的总和,是使处于测试条件下的膜-基系统的最薄弱界面的化学结合产生破坏所需要的能量;工程结合强度是指将薄膜从基体上去除所需要的力或功,也可表示为在特定应力状态下使薄膜剥离所需要的时间[1,2].     

薄膜结合强度的刮剥式测量方法

本文介绍了一种薄膜结合强度的新型测量方法～刮剥法的测量原理、特点以及应用范围。所谓薄膜结合强度的刮剥式测量方法（简称刮剥法），实际上是一个使用特制刮剥刀具、以类似于薄层金属刮削方式工作，并以从基底上剥离薄膜所需能量作为其结合强度量度的测量方法。刮剥法与现广泛使用的划痕式结合力测量法的区别主要表现为：（１）该法是一个能量测量方法，即以薄膜的剥离能量作为薄膜与基体的结合强度的描述；（２）测量时采用的是对膜／基界面的切向加载方式；（３）测量结果是对膜／基结合强度的直接描述，并对基底表面状态、材质等不敏感；（４）可以对其它方法无法进行测量的超硬材料薄膜，如金刚石和立方氮化硼等，进行结合强度测量。本文通过对刮剥过程中刮剥刀刃附近区域的受力分析，得出了成功实现沿界面剥离薄膜的必要条件以及刮剥法测试对试样的要求和应用范围。     

轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率。根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况。数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据。     

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

TiC／i—C复合硬质膜的过渡层界面和特性的研究

探讨在i-C(离子辅助沉积）硬质无定形碳膜和钢基基片之间加入碳化钛（TiC)过渡层,以增加膜/基附着力和结合强度的各种优越性,SEM（扫描电镜）和EPMA（电子探针微分析）测试显示TiC中间过渡层与i-C层及基片的界面处的附着结合强度得以改善,划痕测试仪对该复合膜测试则从另一方面提供了膜/基结合强度提高的证据。对该复合膜的宏观机械力学性能的测试表明,它在提高了膜/基结合强度的同时,保持了类金刚石薄膜超高硬度和低摩擦系数的优良特性。     

厚度对TiN薄膜力学性能的影响

采用电弧离子镀方法制备了不同厚度TiN薄膜,并对其硬度、结合力、残余应力、摩擦磨损特性等力学性能进行了系统性研究,以揭示硬质薄膜厚度对其力学性能的影响规律。结果表明,随着厚度增加,薄膜表面大颗粒增加,膜基界面剪切力增大,薄膜硬度逐渐增加,结合力逐渐下降,摩擦系数略有下降;而薄膜应力沿层深分布趋势基本一致,都呈钟罩形分布;磨损率随薄膜厚度变化不大,即薄膜越厚越耐磨。     

TiC/i-C复合硬质膜的过渡层界面和特性的研究(英文)

探讨在 i－ C（离子辅助沉积）硬质无定形碳膜和钢基基片之间加入碳化钛（ TiC）过渡层,以 增加膜 /基附着力和结合强度的各种优越性。 SEM（扫描电镜）和 EPMA（电子探针微分析）测试显 示 TiC中间过渡层与 i－ C层及基片的界面处的附着结合强度得以改善。划痕测试仪对该复合膜 测试则从另一方面提供了膜 /基结合强度提高的证据。对该复合膜的宏观机械力学性能的测试表 明,它在提高了膜 /基结合强度的同时,保持了类金刚石薄膜超高硬度和低摩擦系数的优良特性。     

扩散阻挡层与离子束轰击能量对Cu-Cr合金膜结合强度的影响

用离子束辅助磁控溅射和离子束溅射共沉积的方法分别在TiN、CrN扩散阻挡层上沉积了Cu-Cr合金膜.用滚动接触疲劳实验评价结合强度,结果发现:扩散阻挡层可明显提高结合强度;CrN上的Cu-Cr膜的结合强度最高;高能离子轰击得到的Cu-Cr合金膜具有更宽的过渡层而具有更高的结合强度.     

液氮薄膜在切应力作用下的降膜流动和传热模型

以钎焊板式换热器当中液氮薄膜为研究对象,通过建立在切应力作用下层流饱和蒸发液氮薄膜的传热特性的物理模型,推导出了无量纲液膜厚度和表面传热系数与气液界面切应力、界面对流换热强度、初始雷诺数和流动长度之间的非线性关系式.     

基于线性振幅扫描试验评价硬质沥青的疲劳性能

为评价硬质沥青的疲劳性能,通过旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)和压力老化试验(PAV),选用具有代表性的四种硬质沥青和对比试样SBS改性沥青进行了短期老化和长期老化,采用不同温度下的线性振幅扫描试验(LAS)测试了各沥青试样的储能模量、损耗模量、剪切应变、剪切应力等疲劳参数,采用粘弹连续介质损伤模型(VECD模型)计算了沥青的疲劳寿命.结果表明:不同程度的老化均会降低硬质沥青重复荷载作用下应力-应变承受能力、抵抗损伤能力和疲劳寿命;温度升高会一定程度提升硬质沥青抵抗损伤能力和疲劳寿命,降低虚模量衰减;硬质沥青标号越高,则疲劳性能越好,不同油源的同等标号硬质沥青针入度越高,则疲劳性能越好;应力-应变曲线中峰值应力处的应变可以作为评价硬质沥青路面疲劳寿命的评价指标.     

离子束增强沉积界面共混工艺对Cr-N镀层结合强度的影响

采用连续压入法以及球滚接触疲劳法评定不同界面共混工艺所制Ｃｒ－Ｎ镀层膜基结合 强度,并对两种方法试验结果进行分析对比．试验结果表明,在其它参数相同条件下,随着氮离 子轰击能量从１０、２０ｋｅＶ提高到４０ｋｅＶ,动反冲共混界面结合强度则有明显降低的趋势,Ｐ_ｃ 值测量值分别为６５０、７００、３３０Ｎ．当轰击能量为２０、１０ｋｅＶ时,Ｃｒ－Ｎ镀层在△Ｔ_ｒｚ＝４４２ＭＰａ 时,循环疲劳周次达到５．０×１０^６时,镀层未剥落,表现出很高的动态结合强度,而４０ｋｅＶ动反 冲共混界面在△Ｔ_ｒｚ＝４４２ＭＰａ时,循环疲劳周次仅为９．０×１０^５．较低能量（１０、２０ｋｅＶ）氮离子 动态共混界面具有更理想的膜层一基体结合强度．两种方法测试结果具有一致性．当膜层－基 体结合力较高时;压入法评定膜层－基体结合强度更简便、适用．     

鼓膜实验法测试薄膜基体界面结合强度的进展

评述了用鼓膜实验方法测试薄膜与基体界面结合强度的现状和最新进展，分析了该方法针对圆孔、膜内无残余应力柔性膜试样和矩形孔或圆孔、膜内有残余应力试样（薄膜为柔性膜或刚性膜）所用解析解力学模型建立的薄膜力学性能假设前提条件、能量平衡思路和推导过程．介绍了用硅微技术制备Si基体试样的过程，指出了制备方法和解析解力学模型的特点及所存在的问题．给出了该实验方法的应用实例，指出了需要解决非硅基体的制样和薄膜塑性变形阶段力学模型等问题．     

开孔氧化铝薄膜/铝合金基体热屈曲变形和应力分析

假设薄膜和基体界面处于理想结合状态,基于应变协调理论,采用有限元软件(ANSYS 8.0)分析了不同膜基比(hc/hs)和开孔对氧化铝薄膜/铝合金基体系统热屈曲变形、热应力的影响.结果表明,当矩形薄板发生热屈曲时,曲率和热应力均随膜基比非线性变化.随着膜基比的增加,曲率不断减小,而薄膜和基体中的热应力表现出不同的变化趋势,基体中的热应力随膜基比的增加而增加,薄膜中的热应力随膜基比的增加而减小.当hc/hs<0.005时,曲率受膜基比的影响非常大且曲线较陡;当hc/hs>0.005时,曲率随膜基比的增加而缓慢减小.开孔能在一定程度上缓解系统的热屈曲变形,但是这种缓解程度相对较小.无孔时系统中的热残余应力在面内基本上都是均匀分布的,而开孔时系统中的热残余应力分布不再均匀,特别是在小孔附近产生了严重的应力集中现象,膜基比越小则应力集中现象越严重.     

受弯CFL加固RC梁界面疲劳裂缝扩展行为研究

碳纤维薄板(CFL)与混凝土粘结界面的疲劳性能是CFL加固RC梁关键的力学问题之一。应用疲劳与断裂力学方法给出了受弯CFL加固RC梁界面疲劳裂缝尖端的应力强度因子计算方法,并结合理论推导与一系列的疲劳实验研究,对加固梁中CFL与混凝土界面疲劳裂缝扩展的规律和预测方法进行了分析。结果表明:1)CFL的应变值与界面裂缝的应力强度因子的大小成正比,是界面疲劳裂缝扩展寿命的决定因素。当CFL的应变值小于疲劳破坏门槛值时,界面疲劳裂缝不会发生扩展;2)界面裂缝扩展主要分为萌生、稳定扩展、失稳扩展三个阶段。受弯CFL加固RC梁的界面疲劳裂缝的扩展寿命可以用类似于Paris公式的方法较准确地预测。