Page 21 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 束坤, 等: 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 509

界面法向拉伸应力的最大值逐渐减小[图9(a)]；而在卸 2.3.2 界面切向应力和剪切分层损伤失效
载过程中，接触区内由于基体塑性变形和薄膜弹性变 图10所示为接触几何参数t/R=0.04作用下，加载
形恢复造成的界面法向拉伸应力同样随着t/R的减小 和卸载过程中膜基界面切向应力分布. 在加载过程
而减小[图9(b)]. 因此，无论加载过程中接触区外界面 中，由于基体在球形压头的作用下沿径向正向(+r)的
的最大拉伸法向应力还是卸载过程中接触区内界面 塑性变形作用，在靠近接触边沿的位置(r/a=1)出现界
的最大拉伸法向应力均随t/R的减小而减小，相应引发 面切向应力峰值[图10(a)]. 随着压入深度h/t的增大，

界面法向拉伸分层的可能性也逐渐减小. 接触边沿应力峰值的两侧出现了与之方向相反的2个

1 2

(a) Loading (b) h max /t =1.0 Unloading
0 1
Normal stress, σ n /σ ys −1 h/t = 0.2 Normal stress, σ n /σ ys −1 0 h/t = 0.95

−2

h/t = 0.8
−3 h/t = 0.5 −2 h/t = 0.90
h/t = 0.85
h/t = 1.0 h/t = 0.80
−4 −3
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
Radial distance, r/a Radial distance, r/a*
Stage I Stage II Stage III Stage I Stage II Stage III
0.25 1.0
(c) Loading 0.8 (d) Unloading
Maximum tensile stress, σ n /σ ys 0.15 Maximum tensile stress, σ n /σ ys 0.6
0.20

0.4
0.10
0.05

0.0
0.00 0.2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Indentation depth, h/t Maximum indentation depth, h max /t
Fig. 8 Evolution of interface normal stresses of the film-substrate system with the contact geometric parameter of t/R=0.04:
stress distributions during (a) the loading process and (b) the unloading process; maximums of the
tensile stress during (c) the loading process and (d) unloading processes
图 8 接触几何参数t/R=0.04的膜基系统界面法向应力演化：(a)加载和(b)卸载过程中的应力分布；
(c)加载和(d)卸载过程中拉伸应力的最大值

0.30 3.0

(a) t/R=0.200, 0.040, 0.020, Loading 2.5 (b) t/R=0.200, 0.040, 0.020, Unloading
Maximum tensile stress, σ n /σ ys 0.20 Maximum tensile stress, σ n /σ ys 2.0 0.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.25
0.010, 0.005
0.010, 0.005
0.5
0.3
1.5
0.15
0.2
0.1
1.0
0.10
0.0
0.05
0.0
0.00 0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Indentation depth, h/t Maximum indentation depth, h max /t
Fig. 9 Effects of the contact geometry parameter t/R on the maximum interface tensile stresses during
(a) loading processes and (b) unloading processes
图 9 接触几何参数t/R对(a)加载和(b)卸载过程中膜基界面最大拉伸法向应力的影响