薄膜/基底复合材料刻划

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简介：
薄膜/基底复合材料（电镀材料）在工程中被广泛应用，但由于制得的薄膜涂层材料和基底材料在力学、热学以及加工稳定性等方面的差异性，导致了涂层材料的失效机理成为了日益研究的重点方向。对于成型后的薄膜和基底材料，两者之间的结合力和外力作用下表面涂层的脱落是评价薄膜质量的关键指标，是保证薄膜满足机械、物理和化学等使用性能的基本前提。因此，薄膜材料界面结合性能的表征在实际应用中具有非常重要的意义。
由于影响划痕实验结果的参数有很多，就其本质的因素来说，不同的材料体系对结果有着很大的影响，因此对材料的本构关系进行研究是必要的。通过研究发现，可把各种不同的材料组合归结为以下四种：弹性薄膜/弹性基底，弹性薄膜/韧性基底，韧性薄膜/弹性基底和韧性薄膜/韧性基底。通过选取适当的参数，分别建立了以上四种体系的有限元模型，并对划痕模型进行了分析，如下使用的是弹性薄膜/弹性基底。

仿真：
通过建立变切深刻划银膜有限元模型，对薄膜受到外物的划檫时产生的应力应变情况以及失效行为进行分析，为了减少网格数量，加快计算速度，模型只建立对称的一半。其中圆锥压头锥尖半径为50微米，银膜尺寸为1.5×0.6×0.03（mm），基底尺寸为1.5×0.6×0.1（mm）。对于材料属性方面，由于银材料塑性模型尚未获得，因此使用其他接近材料进行替代。为了实现变切深刻划目的，将银膜和基底材料进行倾斜0.6°处理，控制圆锥压头水平运动实现划痕深度的逐渐稳定增加。分析步中使用动态显示分析，在历史输出中进行位移和压头受力输出。对于压头和银膜之间的接触，本例中使用的是通用接触，防止压头划穿银膜对基底产生破坏，也可以使用面面接触设置，同时把压头设置成刚体并设置参考点对于 银膜和基底之间的关系使用绑定命令连接在一起。接触属性中对底面进行固定，对称面中边界条件设置对称约束，压头运动以速度形式进行加载。网格划分进行局部密化处理，在不影响分析的前提下增加计算速度。

分析：
最开始压头尖部和工件接触较少，银膜材料发生的是弹性变形，此时将有进行卸载则形变可以恢复；随着刻划深度的增加，材料被挤压以及向两侧分离，此时银膜材料发生塑性变形，当厚度增加时，压头压入材料内部的深度也会增加，材料在压头前面的角度也随之增加变得更加垂直（口语化），材料在前面堆积类似于积削瘤导致向两侧分离的程度变差，当力累计到一定程度后材料被整块去除，力就会出现波动。

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