梯度镀层结构微/纳平面压痕开裂理论与应用研究

对于梯度或多层镀层的样品，当采用刚性圆柱平端压头进行微/纳压痕实验时，在压头下梯度镀层的表层介质内会产生一个轴对称I型奇异应力场。压痕周边的镀层表面由无限多的应力奇异点形成一个应力奇异环。当载荷达到临界值时，在应力奇异环处开裂，形成一个圆环形的浅（微）裂纹。本项目将研究梯度镀层结构平端压头压痕开裂的数学模型和微/纳压痕断裂模型；研究压痕边界断裂型开裂的机理；给出镀层介质内奇异应力场应力强度因子的计算方法；给出梯度镀层结构表面开裂的能量释放率梯度与应力强度因子的关系；给出压痕开裂能量释放率的临界值和理论预计的边界开裂方向；建立新的梯度镀层结构微/纳平面压痕断裂理论和断裂韧性实验方法。.项目的理论意义在于：①利用系统势能的变化规律研究梯度镀层结构压痕周边开裂的能量变化率驱动机制；②建立梯度镀层结构压痕周边开裂的临界判据，丰富微/纳压痕断裂理论体系。

①建立了镀层结构刚性圆柱平端压头压痕周边开裂分析的数学模型，给出了边界移动，即镀层表面压痕开裂的几何描述和数学表征；通过压痕法在镀层表面上生成I-型奇异应力场的原理，建立了镀层结构压痕边界能量释放率驱动开裂的断裂力学分析模型，研究了压痕边界I-型应力场K-控制区断裂型开裂机理。重点研究了镀层结构的表面压痕边界开裂问题，初步揭示了镀层结构包括梯度镀层结构压痕边界开裂的机理和断裂型开裂的内在规律。.②压痕周边临界开裂条件，即给出了载荷、压头半径与镀层材料断裂韧性、镀层材料的弹性模量、泊松比之间的定量关系。对于均质基体压痕问题，给出了解析解，得到了简单的函数关系；对于镀层基体或梯度镀层基体，给出了守恒积分形式的压痕应力强度因子远场积分计算公式和相关的计算技术。同时解决了镀层结构平面压痕断裂理论中的几个基本问题，其中包括压痕K-型开裂准则、I-型压痕开裂韧性与I-型裂纹断裂韧性间的关系、裂纹模拟间接计算方法等研究工作。形成了完整的镀层平面压痕边界开裂分析的理论体系。.③压痕边界开裂的实验研究。利用平面压痕诱生奇异应力场导致压痕边界开裂的实验研究是成功的。比较而言，建立理论体系相对容易，能够得到可重复性极高的实验技术往往难度更大，特别是微观尺度干扰因素甚多。项目中的关键问题，是如何有效提取加载实验中的临界载荷，是一个非常复杂的问题，与尺度、仪器的采样灵敏度等都有着密切的关系。项目中的实验研究成功地捕捉到了平面压痕开裂过程中的载荷波动，即对应的临界载荷。但也遇到过不同的实验仪器载荷曲线表现不同的情形，受到课题组的高度关注。宏观压痕实验的稳定性好于微观。.④系统的平面压痕断裂型开裂理论和相关的临界载荷实验测试技术，是构建微/纳镀层结构无裂纹试样平面压痕法测试镀层材料断裂韧性新技术的重要组成部分。本项目全面、系统地开展了这项研究工作，取得了预期的研究成果。.⑤应当指出的是，在本项目的基础理论研究过程中，也取得了一系列的拓展性研究成果。得到如：“奇异应力边界离散开裂的能量释放率理论”雏形；“平面压痕断裂型破岩理论”雏形，即压痕断裂模型在岩石力学中的应用等。