专利名称：一种表面薄膜残余应力的预测方法
技术领域：
本发明涉及表面改性薄膜性能表征领域，尤其涉及一种表面薄膜残余应力的预测方法。
背景技术：
表面薄膜已经广泛用于提高基体材料表面的硬度耐磨性及耐腐蚀性能或实现其它的特殊功能。但是在薄膜沉积过程中，由于薄膜与基体的材料物性参数失配，导致在薄膜中存在较大的残余应力；该残余应力值可能达到甚至超过薄膜本身的屈服强度，而且会在薄膜/基体界面处产生较大的应力集中。残余应力可能会严重影响薄膜的一些主要性能，如抗剥落及分层能力、疲劳寿命及结合强度等。如何精确预测薄膜内部的残余应力对薄膜结构的材料及结构设计具有重要的意义，已经成为业内人士近些年来普遍关注的焦点问题。目前用于薄膜残余应力测量的常见方法有X射线法、Raman光谱法和曲率法。X射线法用于薄膜残余应力的测定时，往往由于薄膜厚度较小，基体衍射会产生影响，而且薄膜内部往往存在强烈的织构，导致测量结果存有较大误差；虽然Raman光谱法是近些年来发展比较迅速的方法，但是在用于薄膜的残余应力测定时，可重复性较差，而且局限于局部位置的应力测试；曲率法虽然可以比较精确而且快速地表征薄膜内部的残余应力，但是需要薄膜沉积前后试样曲率的精确测量。由此可见，现在迫切需要研发一种新的表面薄膜残余应力的预测方法，以满足薄膜性能的试验需要。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种表面薄膜残余应力的预测方法，以给予薄膜的残余应力合理表征和精确预测，为薄膜的结构和材料设计提供重要支持。本发明所述的一种表面薄膜残余应力的预测方法，包括以下步骤步骤A、采用四点弯曲实验，沿拉应力方向放置薄膜，观测得到薄膜内部裂纹密度随弯曲应变值变化的关系曲线；步骤B、基于四点弯曲载荷作用下薄膜结构内部的应力传递条件，建立薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值关系的理论预测模型；步骤C、根据所述步骤B中的理论预测模型，建立在不同的残余应力值下的薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值的理论关系曲线；步骤D、将所述步骤C中得到的薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值的理论关系曲线与所述步骤A中实际测得的薄膜内部裂纹密度随弯曲应变值变化的关系曲线进行比较，选择所述步骤C中与所述步骤A中的关系曲线吻合程度最好的理论关系曲线，则该理论关系曲线对应的残余应力值即为预测的表面薄膜残余应力。
在上述的表面薄膜残余应力的预测方法中，所述步骤A包括首先，采用扫描电镜或者光学显微镜观察薄膜内部裂纹密度D随弯曲应变值ea 的变化，并记录在不同的弯曲应变值ε a下的薄膜内部裂纹的数量N;然后，通过公式
权利要求
1.一种表面薄膜残余应力的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤 步骤A、采用四点弯曲实验，沿拉应力方向放置薄膜，观测得到薄膜内部裂纹密度随弯曲应变值变化的关系曲线；步骤B、基于四点弯曲载荷作用下薄膜结构内部的应力传递条件，建立薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值关系的理论预测模型；步骤C、根据所述步骤B中的理论预测模型，建立在不同的残余应力值下的薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值的理论关系曲线；步骤D、将所述步骤C中得到的薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值的理论关系曲线与所述步骤A中实际测得的薄膜内部裂纹密度随弯曲应变值变化的关系曲线进行比较，选择所述步骤C中与所述步骤A中的关系曲线吻合程度最好的理论关系曲线，则该理论关系曲线对应的残余应力值即为预测的表面薄膜残余应力。
2.根据权利要求1所述的表面薄膜残余应力的预测方法，其特征在于，所述步骤A包括首先，采用扫描电镜或者光学显微镜观察薄膜内部裂纹密度D随弯曲应变值ε a的变 化，并记录在不同的弯曲应变值ε a下的薄膜内部裂纹的数量N;然后，通过公式D = 计算得到薄膜内部裂纹密度D，式中，L为观察区间的宽度；最后，建立薄膜内部裂纹密度D随弯曲应变值ε a变化的关系曲线。
3.根据权利要求1或2所述的表面薄膜残余应力的预测方法，其特征在于，所述步骤A 还包括通过实验观测得到薄膜产生第一条裂纹时的临界应变值ε。。
4.根据权利要求3所述的表面薄膜残余应力的预测方法，其特征在于，所述步骤B包括设定薄膜内部裂纹的间距为21 ；薄膜开裂后形成两个薄膜片段，将每个薄膜片段在长度χ方向的应力表示为
5.根据权利要求4所述的表面薄膜残余应力的预测方法，其特征在于，所述步骤C包括将不同的残余应力值\代入式(13) 式(15)中，得到在不同的残余应力值\下的薄膜内部裂纹密度D与弯曲应变值εa的理论关系曲线。
全文摘要
本发明公开了一种表面薄膜残余应力的预测方法，它包括以下步骤A、采用四点弯曲实验，得到薄膜内部裂纹密度随弯曲应变值变化的关系曲线；B、基于四点弯曲载荷作用下薄膜结构内部的应力传递条件，建立薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值关系的理论预测模型；C、根据所述步骤B中的理论预测模型，建立在不同的残余应力值下的薄膜内部裂纹密度与弯曲应变值的理论关系曲线；D、选择所述步骤C中与所述步骤A中的关系曲线吻合程度最好的理论关系曲线，则该理论关系曲线对应的残余应力值即为预测的表面薄膜残余应力。本发明的方法不仅操作简单，而且能够精确预测薄膜的残余应力，且不受薄膜材料的限制，尤其在薄膜厚度较小时具有明显优势。
文档编号G01L1/00GK102426068SQ20111027218
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者张显程, 涂善东, 王正东, 轩福贞 申请人:华东理工大学