Cr/Al双层纳米薄膜的力学性能测试及其仿真分析(2)

2.2、仿真参数的设定

　　通过纳米压痕实验测试时得知，当最大压深hmax 为41.5093 nm 时，测出的弹性模量值近似为上层的Cr 膜的弹性模量值，为79.561 GPa，这与Uwe Holzwarth 等人的测试结果具有一定的差异；当最大压深hmax 为463.24775 nm 时，测出的弹性模量值近似为下层的Al 膜的弹性模量值，为75.218 GPa。所以仿真时，上层的Cr 膜和下层的Al 膜弹性模量值采用这两个实验得出的弹性模量值。泊松比由于实验无法直接得出，而其范围一般为0.15~0.35，故仿真时均设定为中间值0.25。假设仿真时无摩擦,并且假设双层膜是均匀且各向同性，仿真时采用多数材料遵循的Von Mises 屈服准则。材料的塑性性能是纳米压痕测试时所测不出来的，可以仿照类似材料的性质进行预设，最后比较仿真得出的压力—压深曲线与实验得出的压力—压深曲线，通过反复调整预设的塑性性能，使得二者一致，那么调整后的塑性性能即为双层膜的真实的性能。

2.3、边界条件的设定

　　由于双层膜是溅射在玻璃衬底上的，故膜的下边界所有轴向位移为零。对刚性压头施加约束，使其只有轴向位移。

2.4、施加载荷

　　以纳米压痕试验测出的最大压深hmax=463.24775 nm 的结果为对比标准，施加给刚性的压头载荷如图5 所示。加载、卸载部分为线性。由于压头是竖直向下加载，故纵坐标为负值。整个仿真时间设定为40 s，加载时间为16 s，当压头压至最大压深时停留10 s，以便使双层膜充分的塑性变形，卸载时间为14 s。

图5 对Cr/Al 双层纳米薄膜仿真时加载函数曲线　　图6 最大压深hmax=463.24775nm 时的应力云图

2.5、仿真结果

　　图6 所示是最大压深hmax= 463.24775nm 时的应力云图。从图中可以看出，应力主要集中在压头附近，距离压头越远的地方，产生的应力越小。但是从图中可以看出，最大应力并非出现在靠近压头最近的上层Cr 膜中，而是出现在压头下方的下层Al 膜中。仿真时，当在泊松比范围为0.15~0.35 内设定其值时，仿真结果并无太大的差异，可见泊松比对仿真的影响较小，故设定其为中间值0.25 是可行的。当考虑摩擦因素的影响时，通过设定摩擦系数与无摩擦系数时的结果对比发现，亦无太大的差异，故而摩擦因素的影响也是较小的，不考虑摩擦亦是合理的。

3、结论

　　本文得到以下结论：

　　（1）通过纳米压痕测试测得Cr/Al 双层纳米薄膜的弹性模量值E 和硬度值H 分别为74.392 GPa和5.894 GPa。弹性模量值E 和硬度值H 在测试过程中会受到纳米尺寸效应的影响而呈现一定的变化趋势。在上层的Cr 膜与下层的Al 膜之间会形成一层约50 nm 厚的界面层，并且界面层的组织结构和力学性能比较复杂。

　　（2）通过对纳米压痕试验的有限元分析得出，应力主要集中在压头附近，并且最大应力出现在下层的Al 膜中，而非出现在距离压头最近的上层Cr 膜中。并且通过对比得出摩擦系数和泊松比对仿真的影响较小，可以忽略。