不同加载方式下类金刚石膜的变形行为及数值模拟研究

摘要

本文采用非平衡磁控溅射方法在调质处理后的AISI4118铬钼钢表面沉积了含 Ti类金刚石(Ti-DLC)膜。利用高分辨电子显微镜(HREM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和拉曼光谱仪等手段分析了沉积Ti-DLC薄膜的成分、形貌和结构，使用带Berkovich压头的纳米压痕仪(MTS Nano Indenter XP)测试了薄膜的力学性能。结果表明，制备的含 Ti量为27at.％的Ti-DLC膜表面平整，粗糙度很小。Ti-DLC膜的结构主要为非晶相，高分辨电子显微镜分析(HREM)表明Ti-DLC膜成层状分布，膜内存在着富Ti区和贫Ti区，TiC颗粒尺寸大约为5nm。　　纳米压痕试验结果表明，Ti-DLC膜的弹性模量为249.8GPa，硬度为26.4GPa。纳米划痕实验结果表明，Ti-DLC膜的厚度大约为700nm，划破时的纵向载荷为80mN，摩擦力为18mN。　　采用三维有限元模型计算了纳米压头压入过程中 Ti-DLC膜的应力分布和变形过程。模拟结果表明，纳米压痕试验中应力在压痕周围呈不均匀分布，应力集中分布在压头尖端所对应的膜的区域，并在膜与基体的界面上产生间断，应力间断有效的保护了基体。纳米划痕实验的数值模拟表明，Ti-DLC膜在压头划痕初始阶段，纵向载荷和摩擦力都呈线性缓慢增加，在某一点发生突变，这时膜发生了硬化。　　对Ti-DLC膜的纳米压痕和划痕实验的数值模拟结果表明，有限元数值模拟是研究材料变形行为的一种有效手段。

目录

不同加载方式下类金刚石膜的变形行为及数值模拟研究

DEFORMATION BEHAVIOR AND FINITE ELEMENT MODELING OF DIAMOND LIKE CARBON FILMS UNDER DIFFERENT LOADING MODES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 DLC膜的材料体系

1.3 DLC膜的制备方法

1.3.1 PVD法

1.3.2 CVD法

1.3.3 各种制备方法对DLC膜结构和性能的影响

1.4 DLC膜的测试与表征

1.4.1 拉曼(Raman)光谱分析

1.4.2 X射线光电子能谱(XPS)分析

1.4.3 原子力显微镜分析

1.4.4 纳米压痕方法

1.4.5 划痕试验法

1.5 DLC膜的性能

1.5.1 力学性能和摩擦学性能

1.5.2 电学和光学性能

1.6 计算机数值模拟在DLC膜中的应用

1.7 DLC膜的应用

1.7.1 机械领域

1.7.2 光学领域

1.7.3 微电子领域

1.7.4 医学领域

1.7.5 其他领域

1.8 本课题研究的目的和意义

1.9 本课题主要的研究内容

第2章 实验分析方法及ANSYS有限元分析算法

2.1 Ti-DLC膜的制备和分析测试方法

2.1.1 Ti-DLC膜的制备方法

2.1.2 分析测试方法

2.2 ANSYS有限元分析算法

2.2.1 ANSYS弹塑性分析

2.2.2 ANSYS接触分析

第3章 Ti-DLC膜的制备与性能测试

3.1 Ti-DLC膜的形貌与成分

3.1.1 Ti-DLC膜的形貌

3.1.2 Ti-DLC膜的成分

3.2 Ti-DLC膜的力学性能

3.2.1 Ti-DLC膜纳米压痕测试

3.2.2 Ti-DLC膜纳米划痕测试

3.3 本章小结

第4章 Ti-DLC膜纳米压入及划痕过程的数值模拟

4.1 Ti-DLC膜纳米压入过程的有限元数值模拟

4.1.1 纳米压痕有限元模型

4.1.2 弹性膜纳米压入过程的数值模拟

4.1.3 塑性膜纳米压入过程的数值模拟

4.2 Ti-DLC膜纳米划痕过程的有限元数值模拟

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致 谢