脆性薄膜(或涂層)由于其良好的耐磨、耐蝕、耐熱等性能,被廣泛地應(yīng)用于保護金屬基體不受惡劣環(huán)境的影響,從而提高其服役壽命。但是,由于其較差的韌性,在內(nèi)、外應(yīng)力及環(huán)境(溫度、濕度)的共同作用下,薄膜表面容易萌生微裂紋。微裂紋的擴展,除了會導(dǎo)致薄膜自身的失效外,甚至還會造成脆性基體的開裂,從而制約著薄膜的應(yīng)用。本論文通過研究脆性薄膜的失效及其對基體的影響,獲得如下研究結(jié)果:(1)TiN薄膜或者WC-10%Co-4%Cr涂層可以造成韌性基體(純鐵、AISI 1020鋼、黃銅)的解理開裂;涂層-基體的短程交互作用以及涂層的快速開裂可以抑制近表面基體的塑性變形,從而導(dǎo)致韌性基體的解理開裂;基于能量守恒原理,涂層越厚,涂層開裂前積累的能量越大,裂紋開裂的能量釋放率越高,從而更顯著地降低基體的韌性。(2)當薄膜的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù)時,升高溫度會造成薄膜表面圓形鼓泡的形成。基于退火后薄膜表面的圓形鼓泡,我們成功表征了 TiN膜-Si基體在300 ℃-500 ℃溫度區(qū)間的結(jié)合能,隨著溫度的升高,結(jié)合能先升高后下降。Si基體中隨溫度升高而逐漸增加的塑性變形能是所測結(jié)合能升高的原因;膜-基界面的局部結(jié)晶導(dǎo)致了結(jié)合能的下降。(3)通過將TiN薄膜沉積在304SS基體的側(cè)邊,在三點彎曲加載下,我們發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力能導(dǎo)致平行于外應(yīng)力方向的橫向裂紋形成。薄膜發(fā)生屈曲前,304SS基體更大泊松比是壓應(yīng)力區(qū)TiN膜開裂的原因;基于剪切滯后模型,我們給出了應(yīng)力在薄膜中的分布。薄膜發(fā)生屈曲后,膜、基泊松比不匹配以及薄膜的屈曲兩者共同作用導(dǎo)致橫向裂紋的形成。(4)TiN膜抑制304SS基體中位錯的溢出,使得位錯在膜下方塞積并產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而促進TiN薄膜的開裂和膜-基界面的開裂;膜-基界面開裂后,塞積的位錯溢出形成滑移臺階,降低薄膜發(fā)生屈曲的臨界應(yīng)變,從而促進薄膜的脫落。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

在薄膜碎片中間，薄膜的位移為０，即４“％二０）?＝?０。另??于薄膜開裂，薄膜中的應(yīng)力得到釋放，即＝?士１／２）?＝?０。由胡??可知：??＾■０?＝?ＴＴ＾（＾＋Ｖ＾）?（２－４）Ｙ?Ｃ??（２．５）ｄｘ?１?－?ｖ］?ｄｘ２??移量Ｗｗ＝＾ｃ，這里ｆ是外加應(yīng)變，由式子（２－３）和（２－５）可得：??皆＝?＊（、，）?（２－６是應(yīng)力傳導(dǎo)長度，＾?＝?＾／ｉ／Ｇｉｎｔ（ｌ－ｖ２），如圖２．１（ｂ）所示。??

＋?ＹＺ＾［￡ｒｅｓ?Ｉ１?＋?Ｖｃ）?＋?Ｉ１?＊?ＶｃＶｓ）｛￡－￡ｅ，）］??這里＆為基體的極限彈性應(yīng)變。通過拉曼光譜法表征ＤＬＣ膜碎片中殘余應(yīng)??力沿長度方向的分布，驗證了式（２－９）的可靠性，如圖２．３所示。??－６?－??

?Ｔｉ?＝?０??Ｃｃ）?＼??圖２．２正應(yīng)力以及界面剪切力在薄膜碎片中沿長度方向的分布［１９１??上面的分析是基于基體的變形處于彈性變形的情況下，然而對于金屬基??體來說，其臨界塑性變形很小，很容易發(fā)生塑性變形。于是會造成應(yīng)力的傳??導(dǎo)與彈性變形時不同，所以上述分析具有一定的局限性。另外當薄膜開裂后??只能釋放外應(yīng)力，薄膜的內(nèi)應(yīng)力并沒有釋放。于是Ａｈｍｅｄ等人在Ｈｓｕｅｈ等人??［１５］以及Ｆｒａｎｋ等人［３］的研宄基礎(chǔ)上，通過修改邊界條件以及考慮基體塑性??變形的影響，提出應(yīng)力在薄膜碎片的分布為［１９］：??ａ?＝＾（ｌ－ｖｖ）Ｔｌ－?ＣＯｓｈ（＾＾）ｌ??－Ｌｌ－ｖｃ２１?ｃｏｓｈ（Ｌ／２＾）Ｊ?（２９）??＋?ＹＺ＾［￡ｒｅｓ?Ｉ１?＋?Ｖｃ）?＋?Ｉ１?＊?ＶｃＶｓ）｛￡－￡ｅ，）］??這里＆為基體的極限彈性應(yīng)變。通過拉曼光譜法表征ＤＬＣ膜碎片中殘余應(yīng)??力沿長度方向的分布
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本文編號：2874068