软硬交替多层膜应力应变响应的分析.doc
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软硬交替多层膜应力应变响应的分析,全文7页4266字叙述真切摘要为了对软硬交替多层表面膜在磨粒作用下的应力应变响应、膜层界面剥离和裂纹的产生及扩展的影响等有一个定量和全面的了解，从而为多层表面膜的结构设计提供理论基础，采用大变形弹塑性有限元法对高速钢基体上的tin/ti/tin/ti多层膜在法向压痕作用下的力学行为进行了...
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软硬交替多层膜应力应变响应的分析
全文7页4266字 叙述真切
摘要 为了对软硬交替多层表面膜在磨粒作用下的应力应变响应、膜层界面剥离和裂纹的产生及扩展的影响等有一个定量和全面的了解，从而为多层表面膜的结构设计提供理论基础，采用大变形弹塑性有限元法对高速钢基体上的TiN/Ti/TiN/Ti…多层膜在法向压痕作用下的力学行为进行了模拟和分析。为了研究膜层数和膜厚的影响，对从单层到16层的不同膜层体系进行了计算。通过对膜层的变形、最大应力随膜层数的变化、界面切应力分布和表面张应力分布等的分析得出了这些参数的分布及其随载荷和膜层数的变化规律。这些结果将为多层膜的结构优化设计提供定量的依据。
关键词：多层膜 有限元法 界面 应力 设计
STRESS AND STRAIN ANALYSIS OF
ALTERNATE HARD AND SOFT
MULTILAYERS
Zhu Youli Xu Binshi Ma Shining
（Armoured Forces Engineering Institute）
Abstract For a quantitative and better understanding of the stress and strain responses and their effects on interface debonding and crack initiation and propagation of alternative hard and soft multilayers under contact loading,to explore methodologies of optimum design of surface multilayers,large strain elasto?plastic finite element method is used to evaluate the mechanical behaviors of TiN/Ti/TiN/Ti…multilayer films on high speed steel substrate under hard asperity indentation.Calculations are conducted on different film systems from single to 16 layers to investigate the effects of layer numbers and film thickness.Based upon analysis of film deformation,maximum bending stress,interfacial shear stress,and surface tensile stress,the development of these parameters via layer numbers and the applied load was better understood,which is expected to provide sound basis for the optimum design of multilayer film structures.
Key words：Multilayer films Finite element method Interface Stress Design
0 前言
实践和研究表明，在某些情况下单层薄膜并不能提供充分的表面性能。在这种情况下由基体、中间层和表面层的恰当组合形成的表面多层膜体系往往显示出更多的优越性。已经认识到一些现象，比如，由于“超模量”效应而引起的表面硬度的大幅度提高、引入与基体表面平行的界面对裂纹扩展的“偏折”作用［1］，以及由于对位错运动的阻碍作用而造成的表面硬度的提高［2］等。但是，由于缺乏普遍和详细的理论模型，在表面多层膜的研究发展中多以试错法为主要手段，这使得很难达到优化的设计结果。为了真正达到“设计表面”不仅应从材料学的角度考虑问题，而且也不能忽视表面膜层体系在摩擦学应用中作为一个复杂的力学体系所表现出的应力应变响应。
结论
(1)在软硬交替多层膜体系中，软层将起到剪切带的作用，使得硬层之间可以在保持底应力水平的情况下产生一定的“相对滑动”，以缓解膜层的内应力和界面应力。
(2)在小载荷作用下最大弯曲应力曲线随膜层数的增加呈非单调变化，表明，在小载荷范围内存在有最危险的膜层数。在大载荷时，随层数的增加最大应力曲线呈单调下降的变化趋势，增加层数减小层厚将会大幅度降低最大弯曲应力。
(3)在小载荷作用时，膜层较多的体系顶层接触区附近的表面水平张应力相对于膜层较少的体系来说要大。当载荷增大时情况正好相反，较多的膜层数会降低该应力值。
全文7页4266字 叙述真切
摘要 为了对软硬交替多层表面膜在磨粒作用下的应力应变响应、膜层界面剥离和裂纹的产生及扩展的影响等有一个定量和全面的了解，从而为多层表面膜的结构设计提供理论基础，采用大变形弹塑性有限元法对高速钢基体上的TiN/Ti/TiN/Ti…多层膜在法向压痕作用下的力学行为进行了模拟和分析。为了研究膜层数和膜厚的影响，对从单层到16层的不同膜层体系进行了计算。通过对膜层的变形、最大应力随膜层数的变化、界面切应力分布和表面张应力分布等的分析得出了这些参数的分布及其随载荷和膜层数的变化规律。这些结果将为多层膜的结构优化设计提供定量的依据。
关键词：多层膜 有限元法 界面 应力 设计
STRESS AND STRAIN ANALYSIS OF
ALTERNATE HARD AND SOFT
MULTILAYERS
Zhu Youli Xu Binshi Ma Shining
（Armoured Forces Engineering Institute）
Abstract For a quantitative and better understanding of the stress and strain responses and their effects on interface debonding and crack initiation and propagation of alternative hard and soft multilayers under contact loading,to explore methodologies of optimum design of surface multilayers,large strain elasto?plastic finite element method is used to evaluate the mechanical behaviors of TiN/Ti/TiN/Ti…multilayer films on high speed steel substrate under hard asperity indentation.Calculations are conducted on different film systems from single to 16 layers to investigate the effects of layer numbers and film thickness.Based upon analysis of film deformation,maximum bending stress,interfacial shear stress,and surface tensile stress,the development of these parameters via layer numbers and the applied load was better understood,which is expected to provide sound basis for the optimum design of multilayer film structures.
Key words：Multilayer films Finite element method Interface Stress Design
0 前言
实践和研究表明，在某些情况下单层薄膜并不能提供充分的表面性能。在这种情况下由基体、中间层和表面层的恰当组合形成的表面多层膜体系往往显示出更多的优越性。已经认识到一些现象，比如，由于“超模量”效应而引起的表面硬度的大幅度提高、引入与基体表面平行的界面对裂纹扩展的“偏折”作用［1］，以及由于对位错运动的阻碍作用而造成的表面硬度的提高［2］等。但是，由于缺乏普遍和详细的理论模型，在表面多层膜的研究发展中多以试错法为主要手段，这使得很难达到优化的设计结果。为了真正达到“设计表面”不仅应从材料学的角度考虑问题，而且也不能忽视表面膜层体系在摩擦学应用中作为一个复杂的力学体系所表现出的应力应变响应。
结论
(1)在软硬交替多层膜体系中，软层将起到剪切带的作用，使得硬层之间可以在保持底应力水平的情况下产生一定的“相对滑动”，以缓解膜层的内应力和界面应力。
(2)在小载荷作用下最大弯曲应力曲线随膜层数的增加呈非单调变化，表明，在小载荷范围内存在有最危险的膜层数。在大载荷时，随层数的增加最大应力曲线呈单调下降的变化趋势，增加层数减小层厚将会大幅度降低最大弯曲应力。
(3)在小载荷作用时，膜层较多的体系顶层接触区附近的表面水平张应力相对于膜层较少的体系来说要大。当载荷增大时情况正好相反，较多的膜层数会降低该应力值。
