无约束单晶金属薄膜的疲劳行为及其尺寸效应的研究

开展无约束金属薄膜疲劳性能的研究不仅可以为微小器件的可靠性设计提供新的疲劳强度设计准则和依据，且对于探究材料疲劳尺度效应的物理本质、理解疲劳机理具有重要的学术意义。本项目拟选取无约束面心立方单晶金属薄膜作为模型材料，通过改变单晶薄膜的晶体取向、厚度、疲劳加载方式等因素，利用高精度微力实验平台，结合系统的微观表征手段及定量的理论计算，确定微米厚度无基底约束单晶金属薄膜的疲劳强度、损伤行为、位错结构及其演化行为与薄膜厚度间的关系；深入考察单晶薄膜中滑移系统开动能力、位错滑移距离、晶体学表面和应变梯度等因素对薄膜疲劳行为的影响；阐明无约束单晶金属薄膜的疲劳损伤机理；揭示材料尺度、晶体取向、表面效应及疲劳加载方式对单晶薄膜疲劳损伤行为及疲劳性能的影响规律；澄清无约束单晶金属薄膜、受基底约束金属薄膜及块体金属在疲劳机制上的内在联系与差异，为微器件的安全设计、小尺度金属疲劳新理论的建立提供理论基础。

本项目选取了微米尺度（200-50微米）厚的无约束面心立方单晶铜薄膜作为模型材料，并选取了相同尺度范围的多晶铜薄膜作为对比材料，系统地研究了微米尺度单晶及多晶薄膜的疲劳行为及其尺寸效应。结合系统的微观表征手段及定量的理论计算，确定了微米厚度单晶及多晶铜薄膜的循环变形行为、疲劳强度、疲劳损伤行为、位错结构及其演化行为与薄膜厚度间的关系；深入考察了单晶薄膜中滑移系统开动能力、位错滑移距离、晶体学表面和应变梯度等因素对薄膜疲劳行为的影响；阐明了无约束单晶及多晶铜薄膜的疲劳损伤机理；揭示了材料尺度、表面效应及疲劳加载方式对单晶及多晶铜薄膜疲劳损伤行为及疲劳性能的影响规律。项目研究取得了如下主要成果：.（1）基于电磁驱动原理建立了微米尺度材料疲劳性能的测试系统，提出了电阻监控方法评价微米尺度金属疲劳寿命方法，并建立了定量的表征技术。获国家发明专利1项。.（2）研究了应变梯度下无约束单晶铜薄膜的循环变形行为。发现了随着单晶铜薄膜厚度的减小，材料循环应变硬化能力减弱，更容易过早发生循环软化的规律。基于应变梯度理论及循环变形机理，确定了微米尺度单晶铜薄膜循环硬化/软化转变的临界位错密度，并由此提出了循环变形行为转变的尺寸效应图。 .（3）发现了随着无约束单晶铜薄膜厚度的减小，疲劳强度逐渐减小，疲劳损伤更加严重的规律。基于疲劳损伤行为及位错结构演化行为，提出了描述单晶铜薄膜疲劳强度及损伤程度的物理模型，阐明了材料疲劳尺寸效应的物理本质。.（4）研究了具有不同厚度/晶粒尺寸比的无约束多晶铜薄膜的拉伸性能。发现无论是厚度恒定或晶粒尺寸恒定，材料屈服强度均随厚度/晶粒尺寸比的减小而减小。定量确定了多晶铜薄膜的微观结构尺度与几何尺度的耦合作用规律。基于薄膜通道中约束位错运动机制及传统位错塞积理论建立了几何尺度/结构尺度耦合作用的数学模型，澄清了无约束多晶薄膜屈服强度尺寸效应的物理本质。.（5）研究了无约束多晶铜薄膜的疲劳强度与薄膜厚度间的定量关系。发现无论是厚度恒定或晶粒尺寸恒定，材料疲劳强度均随厚度/晶粒尺寸比的减小而减小。阐明了厚度/晶粒尺寸比与微米尺度铜薄膜疲劳裂纹萌生及扩展间的关系，提出了表面晶粒、晶界以及材料尺度对疲劳寿命的影响规律。. 本项目的研究结果为微/纳米尺度器件的疲劳可靠性设计以及小尺度金属疲劳新理论的建立提供理论基础。