基于ANSYS的硬质氧化铝薄膜／铝合金基体系统热屈曲变形有限元分析.pdfVIP

2009年 6月 湛江师范学院学报 Jun．，2009 第 3O卷 第 3期 JOURNALOFZHANJIANG NORMALCOLLEGE VoI．30 No．3 基于ANSYS的硬质氧化铝薄膜 ／铝合金 基体系统热屈 曲变形有 限元分析 弓满锋 ，梅 芳，张粜沛 (湛江师范学院 物理科学与技术学院，广 东 湛江 524048) 摘 要：假设薄膜和基体界面处于理想结合状态下，且不考虑薄膜 中缺陷的影响，采用有限元软件 (ANSYS 8．O)分析 了(5～30) m厚氧化铝薄膜 ／铝合金基体系统中的热屈曲变形．结果表明：矩形薄板热屈曲后的拱高值 随薄膜厚度 的增加而增加 ，弦长和曲率值则随薄膜厚度的增加而减小．对应于(5～30) m厚度 区间，拱高变化量 分布在(0．0681～0．2876)mm范围内，弦长变化量分布在 (0．05817～0．05536)mm范围内．氧化铝薄膜 ／铝合 金基体系统翘 曲变形的曲率值分布在 (1091～4610)mm 的范围内，且曲率随薄膜厚度变化的非线性特征显著．矩 形薄板 z方向位移L，x和 方向位移 Uz均是关于Y轴对称的 ．另外，根据 Uz的变形特点可知拱顶位于X一0处， 该处弯曲程度最为严重 ，易造成氧化铝薄膜开裂而失效． 关键词 ：硬质氧化铝 ；铝合金 ；热屈曲；变形 ；有限元 中图分类号 ：TB125 文献标识码 ：A 文章编号 ：1006—4702(2009)03—0057一O5 0 引 言 铝合金基体上制备的氧化铝薄膜具有非常高的硬度 、良好 的耐磨性和耐热冲击性、极高的抗氧化性以及 近乎完美的表面修饰等优异的力学性能[1]，故而广泛地应用于汽车、农业 、机械、微电子和医疗器械等工业 领域 ]．然而 ，铝合金基体上沉积 的电镀氧化铝薄膜在使用过程中表面常常萌生大量的微观裂纹或宏观 开裂现象，甚至出现薄膜直接从基体上剥离而导致材料过早失效．这些失效行为又极大地限制了氧化铝薄膜 的进一步应用．究其原因是铝合金基体和氧化铝薄膜两种材料之间热力学性能的不匹配性 ，而热力学性能的 不匹配又必然造成薄膜和基体系统中产生热残余应力．过大的热残余应力会导致氧化铝薄膜力学性能的严 重退化 ，比如薄膜 自身抗拉强度的降低 和薄膜 ／基体界面结合强度的降低 ]．为了改善电镀氧化铝薄膜 ／铝 合金基体系统的力学性能和延长其服役寿命 ，对其热残余应力的研究显得非常重要_gJ． 1 理论模型 单面沉积 电镀氧化铝薄膜 ／铝合金基体系统的理论模型如图 l所示．假设薄膜与基体界面结合 良好 ，处于理想结合状态 ，即薄 膜和基体系统在热膨胀时是满足应变协调条件．计算中基体选用 4043铝合金材料 ，基体试样为矩形薄板状 ，具体尺寸是 50mm× 10mm×1mm (长 ×宽 x厚)．采用硫酸 电镀一 阳极氧化法在 4043铝合金基体上沉积单面氧化铝 电镀硬质薄膜，薄膜厚度为 (5 ～ 30)m．假设沉积的薄膜层厚度均匀，结构完整且各 向同性的． 图1基于应变协调理论的单面薄膜／基体系统理论模型 收稿 日期 ：2008—12—31 基金项 目：湛江师范学院科研基金资助项 目(L0807)． 作者简介：弓满锋(1973一)，男，陕西宝鸡人，湛江师范学院物理科学与技术学院讲师。硕士，从事计算结构力学、材料加工技术 等方面研究． 58 湛江师范学院学报 (自然科学) 第 3O卷 有限元计算中所采用的有关氧化铝薄膜 ／4043铝合金基体系统的力学性能参数见表 1所示． 表 1 4043铝合金和氧化铝材料力学性能参数 当薄膜／基体系统的各部分温度发生变化时，体系将由于热变形而产生线应变a(丁一To)，其 中a是材料 的线膨胀系数 ，T和 T。分别是当前温度值和初始温度值 ，在此根据电镀工艺取 To一一5℃，当前环境温度 丁一100T．根据热应力理论 可知 ，如果材料的热变形不受任何约束，则系统 内有变形而不引起应力，此时 薄膜和基体中因为温度变化而产生的热应变E分别是