Page 14 - 摩擦学学报2025年第4期

第 45 卷 第 4 期 摩擦学学报（中英文） Vol 45 No 4
2025 年 4 月 Tribology Apr, 2025

DOI: 10.16078/j.tribology.2024029 CSTR: 32261.14.j.tribology.2024029
束坤, 林飞虎, 汪剑云, 吴继强, 马欣新, 张传伟, 古乐, 李臻, 王黎钦. 接触几何参数对硬质薄膜断裂和分层失效行为的影响及其
解耦分析[J]. 摩擦学学报（中英文）, 2025, 45(4): 502−513. SHU Kun, LIN Feihu, WANG Jianyun, WU Jiqiang, MA Xinxin,
ZHANG Chuanwei, GU Le, LI Zhen, WANG Liqin. Influences of Contact Geometric Parameters on the Fracture and Delamination
Failure Behaviors of Thin Hard Films and Their Decoupling Analysis[J]. Tribology, 2025, 45(4): 502−513.

接触几何参数对硬质薄膜断裂和分层

失效行为的影响及其解耦分析

2
2
2
2*
2,3
1,2
2*
束 坤 1,2,3 , 林飞虎 , 汪剑云 , 吴继强 , 马欣新 , 张传伟 , 古 乐 , 李 臻 , 王黎钦 2
(1. 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；
2. 哈尔滨工业大学 航空航天轴承技术及装备工信部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；
3. 哈尔滨工业大学 郑州研究院，河南 郑州 450046)
摘 要: 本文中采用有限元法分析了球头微米压痕过程中弹塑性钢基体上硬质薄膜主应力和膜基界面应力的分布
和演化行为，研究了接触几何参数t/R (膜厚/球头半径)对薄膜断裂和分层的影响和作用规律，并探讨了其解耦测试
分析指导准则，为膜基系统聚合性能和界面结合性能的表征分析提供了理论指导. 研究结果表明：微米压痕过程
3个承载阶段薄膜的主要变形状态分别为弹性平滑变形、弯曲变形和拉伸变形. 薄膜最大拉伸主应力位置当t/R较
大(t/R≥0.08)时，始终位于底部弯曲变形区域；当t/R较小(t/R≤0.01)时，则始终位于表面接触区外缘的拉伸变形区
域；当0.02≤t/R≤0.067时，该位置将由底部转移到表面，潜在断裂形式由径向裂纹转变为环形裂纹，转变点的临界
压入深度和临界应力数值与t/R之间存在线性对应关系. 随着t/R的增大，卸载过程中的最大界面法向应力增加，发生
拉伸分层的可能性增加；而随着t/R的增大，界面最大切向应力随之轻微减小，但由于基体的塑性变形，界面切向应
√
力的最大值均接近其剪切屈服强度0.6σ ys ( 1/ 3σ ys ，σ ys 为基体屈服强度). 为避免断裂和分层相互影响，评价界面法
向结合性能时应选择较大的t/R；评价界面切向结合性能时，考虑到t/R对界面切向应力影响较小，而t/R较大易触发
薄膜断裂，应选择较小的t/R.
关键词: 硬质固体薄膜; 接触几何参数; 解耦分析; 薄膜断裂; 界面分层; 有限元分析
中图分类号: TH117.1 文献标志码: A 文章编号: 1004-0595(2025)04–0502–12

Influences of Contact Geometric Parameters on the Fracture and
Delamination Failure Behaviors of Thin Hard Films and

Their Decoupling Analysis

2
1,2
2
2
SHU Kun 1,2,3 , LIN Feihu , WANG Jianyun , WU Jiqiang , MA Xinxin ,
2* 2,3 2* 2
ZHANG Chuanwei , GU Le , LI Zhen , WANG Liqin
(1. School of Material Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Heilongjiang Harbin 150001, China;;
2. MIIT Key Laboratory of Aerospace Bearing Technology and Equipment, Harbin Institute of Technology,
Heilongjiang Harbin 150001, China;;

Received 27 January 2024, revised 13 April 2024, accepted 15 April 2024, available online 9 August 2024.
*Corresponding author. E-mail: zhchwei@hit.edu.cn, Tel: +86-15204621342; E-mail: zhen.li@hit.edu.cn, Tel: +86-15764503358.
This project was supported by the National Natural Science Foundation of China (52205191) and the China Postdoctoral Science
Foundation (2023M730858).
国家自然科学基金项目(52205191)和国家博士后基金项目(2023M730858)资助.