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(hù)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(kuò)展,除了會(huì)導(dǎo)致薄膜自身的失效外,甚至還會(huì)造成脆性基體的開(kāi)裂,從而制約著薄膜的應(yīng)用。本論文通過(guò)研究脆性薄膜的失效及其對(duì)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(kāi)裂;涂層-基體的短程交互作用以及涂層的快速開(kāi)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(kāi)裂;基于能量守恒原理,涂層越厚,涂層開(kāi)裂前積累的能量越大,裂紋開(kāi)裂的能量釋放率越高,從而更顯著地降低基體的韌性。(2)當(dāng)薄膜的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù)時(shí),升高溫度會(huì)造成薄膜表面圓形鼓泡的形成�；谕嘶鸷蟊∧け砻娴膱A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(cè)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(guò)將TiN薄膜沉積在304SS基體的側(cè)邊,在三點(diǎn)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(kāi)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(cuò)的溢出,使得位錯(cuò)在膜下方塞積并產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而促進(jìn)TiN薄膜的開(kāi)裂和膜-基界面的開(kāi)裂;膜-基界面開(kāi)裂后,塞積的位錯(cuò)溢出形成滑移臺(tái)階,降低薄膜發(fā)生屈曲的臨界應(yīng)變,從而促進(jìn)薄膜的脫落。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)拉曼光譜法表征ＤＬＣ膜碎片中殘余應(yīng)??力沿長(zhǎng)度方向的分布，驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)于金屬基??體來(lái)說(shuō)，其臨界塑性變形很小，很容易發(fā)生塑性變形。于是會(huì)造成應(yīng)力的傳??導(dǎo)與彈性變形時(shí)不同，所以上述分析具有一定的局限性。另外當(dāng)薄膜開(kāi)裂后??只能釋放外應(yīng)力，薄膜的內(nèi)應(yīng)力并沒(méi)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(guò)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(guò)拉曼光譜法表征ＤＬＣ膜碎片中殘余應(yīng)??力沿長(zhǎng)度方向的分布
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本文編號(hào)：2874068