[发明专利]定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法

权利要求书

1.一种定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，包括：

施加实际载荷于球形压头，使所述球形压头压入硬质薄膜基体实体体系内致使硬质薄膜开裂，获取所述硬质薄膜的实际压痕及所述实际压痕的实际最大开裂半径；

根据所述球形压头的几何尺寸和材料性能参数，以及所述硬质薄膜基体实体体系的几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；

根据所述实际载荷的施加方式，施加模拟载荷于所述有限元分析模型，获取所述有限元分析模型中硬质薄膜模型的模拟压痕和所述模拟压痕的中心位置沿所述模拟压痕半径方向上的应变分布信息；

比较所述模拟压痕和所述实际压痕，获取所述模拟压痕的模拟最大开裂半径，所述模拟最大开裂半径与所述实际最大开裂半径相等，并根据所述应变分布信息，获得所述模拟压痕中所述模拟最大开裂半径对应位置处的最大主应力；

根据所述最大主应力获得硬质薄膜的断裂韧性。

2.根据权利要求1所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，施加实际载荷于球形压头，使所述球形压头压入硬质薄膜基体实体体系内致使硬质薄膜开裂，获取所述硬质薄膜的实际压痕及所述实际压痕的实际最大开裂半径包括：

将所述球形压头和所述硬质薄膜基体实体体系安装于压入仪；

启动加载装置对所述球形压头施加所述实际载荷，使所述球形压头压入所述硬质薄膜基体实体体系内，当所述实际载荷加载至开裂载荷时，保载15-60s，致使所述硬质薄膜开裂；

卸除载荷，取出所述硬质薄膜基体实体体系，获取所述硬质薄膜的所述实际压痕及所述实际压痕的所述实际最大开裂半径。

3.根据权利要求1所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，根据所述球形压头的几何尺寸和材料性能参数，以及所述硬质薄膜基体实体体系的几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型包括：

根据所述球形压头的几何尺寸，以及所述硬质薄膜基体实体体系的几何尺寸，建立三维几何模型；

输入所述球形压头的材料性能参数和所述硬质薄膜基体实体体系的材料性能参数，参数化所述三维几何模型；

进行网格划分，设置边界条件和接触方式；

建立分析步。

4.根据权利要求3所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，

所述三维几何模型中球形压头模型的网格划分单元为2结点线性离散刚体单元格或4结点四边形线性减缩积分单元格，所述三维几何模型中硬质薄膜基体模型的网格划分单元为4结点四边形线性减缩积分单元格；

所述边界条件为限制所述球形压头模型绕Z坐标轴旋转并沿X轴坐标方向位移，以及限制所述硬质薄膜基体模型的对称轴沿X坐标轴方向位移，且所述硬质薄膜基体模型的底面沿Y坐标轴方向位移；

所述接触方式为面-面接触，其中，所述球形压头模型的表面为主面，所述硬质薄膜基体模型的表面为从面，接触属性为硬接触，无摩擦。

5.根据权利要求1所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，根据所述最大主应力获得硬质薄膜的断裂韧性包括：

根据所述最大主应力获得所述硬质薄膜脆性断裂的裂纹驱动力；

根据所述裂纹驱动力获得所述断裂韧性。

6.根据权利要求5所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，所述最大主应力、所述裂纹驱动力满足第一关系式：

其中，G为所述裂纹驱动力；h为硬质薄膜的厚度；Ec为硬质薄膜的弹性模量；α、β为Dundur参数，表示硬质薄膜与基体之间的弹性不匹配系数；为所述最大主应力；为基体屈服强度；n为基体的应变硬化指数；为关于n的函数关系。

7.根据权利要求5所述的定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，其特征在于，所述裂纹驱动力和所述断裂韧性满足第二关系式：

其中，K_I为所述断裂韧性，G为所述裂纹驱动力；Ec′为平面应变状态下硬质薄膜的等效弹性模量。