CN113536560B - 薄膜涂层结构的层间应力检测方法、计算机装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
薄膜涂层结构的层间应力检测方法、计算机装置及计算机可读存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种薄膜涂层结构的层间应力检测方法、计算机装置及计算机可读存储介质，该方法包括获取形成在基材上的薄膜涂层的厚度，确定热源在薄膜涂层表面的位置，以热源在薄膜涂层与基材所在的界面上的对应点为原点，计算热源以原点镜像对称的第一类对称点中的第一对称点，并计算第一对称点关于热源的第二类对称点中的第二对称点；计算第一类对称点的后续对称点以及第二类对称点的后续对称点；计算每一第一类对称点的层间应力以及第二类对称点的层间应力，形成薄膜涂层结构的层间应力曲线。本发明还提供实现上述方法的计算机装置以及计算机可读存储介质。本发明能够提高薄膜涂层结构的层间应力的计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜涂层结构的应力检测的技术领域，具体地，提供一种薄膜涂层结构的层间应力检测方法以及实现这种方法的计算机装置、计算机可读存储介质。
背景技术
随着金属加工技术的发展，现有很多金属件应用在高温的环境，例如高温机床、航空发动机等，金属的表面温度都非常高。由于不同金属的耐热性能不同，如果采用耐高温的金属制作工件，往往导致工件的生产成本过高，并且耐高温的金属硬度未必能够满足要求。例如，铜具有良好的耐高温性能，但硬度较低，且生产成本高，钢材的硬度高，且生产成本低，但耐高温性能较差。
为了解决这一矛盾，通常使用一种金属材料作为基材，另一种金属材料作为涂层涂覆在基材上，例如使用钢作为基材，在钢的表面上涂覆铜作为薄膜涂层。这样的涂层结构能够确保工件的硬度，并且使得工件的表面能够承受较高的温度，满足高温场景的使用需求。由于这种涂层结构具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在各种工程设备中广泛应用，例如广泛应用于机械、电子、先进材料、航空航天、生物医药等领域。
然而，涂层结构存在两种材料，即基材以及薄膜涂层，基材与薄膜涂层之间形成层间应力，层间应力过于集中将导致工件断裂的问题，为此，往往需要对涂层结构，尤其是薄膜涂层结构的层间应力进行分析、计算，检测出薄膜涂层中层间应力集中点，例如计算出薄膜涂层结构的层间应力分布曲线，针对层间应力集中处采用相应的措施或者结构提高该处的强度，以避免工件容易断裂的问题。
现有计算薄膜涂层结构的层间应力的方法通常是采用有限元方法进行计算，但该方法存在计算精度较低的问题，影响薄膜涂层结构的层间应力曲线的计算精度。一旦薄膜涂层结构的层间应力曲线计算精度不够，将影响后续的补强措施，导致工件的强度不满足设定要求。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种精度较高的薄膜涂层结构的层间应力检测方法。
本发明的第二目的是提供一种实现上述薄膜涂层结构的层间应力检测方法的计算机装置。
本发明的第三目的是提供一种实现上述薄膜涂层结构的层间应力检测方法的计算机可读存储介质。
为实现本发明的第一目的，本发明提供的薄膜涂层结构的层间应力检测方法包括获取形成在基材上的薄膜涂层的厚度，确定热源在薄膜涂层表面的位置，以热源在薄膜涂层与基材所在的界面上的对应点为原点，计算热源关于原点镜像对称的第一类对称点中的第一对称点，并计算第一对称点关于热源镜像对称的第二类对称点中的第二对称点；计算第一类对称点的后续对称点以及第二类对称点的后续对称点：每一第一类对称点关于原点与相对应的第二类对称点对称，每一第二类对称点关于热源与相对应的上一第一类对称点对称；计算每一第一类对称点的层间应力以及第二类对称点的层间应力，形成薄膜涂层结构的层间应力曲线。
由上述方案可见，通过设置多个对称点，分别计算每一个对称点上的层间应力，进而形成层间应力曲线，可以精确的计算沿薄膜涂层的纵向上多个点上的层间应力分布情况，薄膜涂层结构的层间应力计算更加精确。
一个优选的方案是，计算每一第一类对称点的层间应力以及第二类对称点的层间应力包括：应用预先给定的二维通解以及薄膜涂层的表面自由边界条件、薄膜涂层与基材连接的界面条件构成方程组，通过求解方程组来获取每一第一类对称点与第二类对称点的层间应力。
由此可见，通过获取预先给定的二维通解以及薄膜涂层的表面自由边界条件、薄膜涂层与基材连接的界面条件来计算每一对称点的层间应力，可以简化计算量，提高计算速度。
进一步的方案是，计算每一第一类对称点的层间应力以及第二类对称点的层间应力包括：获取预先设定的二维通解，并获取薄膜涂层的表面自由边界条件、薄膜涂层与基材连接的界面条件，设定用六个级数函数表示的两个调和函数；将调和函数代入二维通解中，利用薄膜涂层的表面自由边界条件、薄膜涂层与基材连接的界面条件，计算递推方程组，按递推关系，计算获得所有四个级数函数，并确定第一类对称点与第二类对称点的解析解。
进一步的方案是，递推方程组由六个方程组成。
更进一步的方案是，按递推关系计算获得所有四个级数函数包括：获取预先设定的点热源作用于无限平面表面的格林函数，并按递推关系计算所有四个级数函数。
更进一步的方案是，该二维通解为各向同性材料的二维通解。
可见，通过设定递推关系来计算多个对称点的层间应力，尤其是按照预设的递推关系来计算各个第一类对称点以及第二类对称点的关系，可以大幅度简化计算的难度。
更进一步的方案是，基材为第一金属材料，薄膜涂层为第二金属材料。优选的，第一金属材料为钢，第二金属材料为铜。
为实现上述的第二目的，本发明提供的计算机装置包括处理器及存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述薄膜涂层结构的层间应力检测方法的各个步骤。
为实现上述的第三目的，本发明提供的计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述薄膜涂层结构的层间应力检测方法的各个步骤。
附图说明
图1是本发明薄膜涂层结构的层间应力检测方法实施例设置多个对称点的示意图。
图2是本发明薄膜涂层结构的层间应力检测方法实施例的流程图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
本发明的薄膜涂层结构的层间应力检测方法应用于对具有涂层结构的两种金属材料之间的层间应力的计算，从而准确的计算出薄膜涂层上在深度方向上的多个点的层间应力，由此形成薄膜涂层结构的层间应力的分布曲线。上述方法可以由计算机程序实现，例如计算机装置包括有处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可以实现上述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法。
薄膜涂层结构的层间应力检测方法实施例：
本实施例是用于计算薄膜涂层受热后所形成的层间应力的分布情况，具体的，应用在两种不同金属材料之间的层间应力的计算，例如第一种金属材料是钢，第二种金属材料是铜，钢作为基材，铜作为薄膜涂层形成在钢的表面。如图1所示，基材10的表面形成有一层薄膜涂层11，薄膜涂层11的厚度为h。假设热源作用在薄膜涂层11的表面上，例如作用点为o1。本实施例中，以基材10与薄膜涂层11之间的界面作为基准平面，以热源对应在基准平面上点作为原点o，设原点o的坐标为(0，0)，以薄膜涂层11的厚度方向为z轴，设热源为点o1，则热源o1的坐标是(0，h)。
下面结合图2介绍本实施例的具体步骤。首先，执行步骤S11，获取薄膜涂层11的厚度，本实施例中，薄膜涂层11的厚度是根据工件的生产、设计要求确定的，例如可以根据工件的设计要求或者产品说明书获取相应的参数，具体的，薄膜涂层11的厚度为h。然后，执行步骤S12，确定热源在薄膜涂层上的位置，例如根据工件的实际使用环境，确定热源的位置，进而确定热源在薄膜涂层上的位置，例如图1中的点o1所在的位置。然后，执行步骤S13，以热源在薄膜涂层11与基材10之间的界面的对应位置作为原点o，并且以薄膜涂层11与基材10之间的界面作为基准平面，以此建立坐标系。后面的计算将以该坐标系作为基准。
本实施例是以镜像法确定多个对称点，并且计算多个对称点上的层间应力，进而形成薄膜涂层结构的层间应力的分布曲线。具体的，执行步骤S14，计算多个第一类对称点以及第二类对称点。参见图1，本实施例中，每一个第一类对称点关于原点o与相对应的第二类对称点对称，每一第二类对称点关于热源o1与相对应的上一第一类对称点对称。
具体的，设定点a1为第一类对称点的第一对称点，第一对称点a1关于原点o与热源o1对称，从图1可见，第一对称点a1位于基材10内。设定点o2为第二类对称点的第二对称点，第二对称点o2关于热源o1与第一对称点a1对称。以此类推，可以计算第一类对称点的后续多个对称点，并且计算第二类对称点的后续多个对称点。例如，第一类对称点a2关于原点o与第二对称点o2对称，第二对称点o3关于热源o1与第一类对称点a2对称。这样，可以获得多个对称点，即第一类对称点an关于原点o与第二对称点on对称，第二对称点on+1关于热源o1与第一类对称点an对称，n＝1,2,3…∞。当然，实际计算时，可以n的取值可以是10或者20。其中，第一对称点a1与热源o1构成一对对称点，该对称点为一阶对称点，第一类对称点a2与第二类对称点o2构成一对对称点，该对称点为二阶对称点，以此类推。
本实施例通过计算每一个第一类对称点上的层间应力以及第二类对称点上的层间应力的分布情况，进而得到薄膜涂层结构的层间应力分布情况。本实施例通过建立一个数学模型来计算各个对称点的层间应力，例如，在图1中建立二维笛卡尔坐标系，该坐标系的各点作为使用(x,z)表示，并且，图1所示的平面为各向同性含涂层半无线平面的热弹性平面，薄膜涂层11的厚度为h，薄膜涂层11与半无限平面在界面z＝0处紧密连接。薄膜涂层11的上表面z＝h为自由且绝热，薄膜涂层11的上表面作用有点热源，点热源对应的作用点的坐标为(0,h)。本实施例使用预先设定的通解来推导在含涂层半无限平面的热弹性耦合场，从而获得各个对称点的解析解，将具体的参数代入该解析解即可以计算得到各个对称点处的层间应力。
因此，需要执行步骤S15，获取预先设定的通解，本实施例中，该通解为各向同性材料的二维通解：
式1中，Γ＝2(λ+2G)/α。并且，σx、σz分别是x方向和z方向的层间应力，λ和G分别是拉梅常数和剪切模量，τ为剪切应力，α为线性热膨胀系数，θ为温度增量。
另外，本实施例还应用薄膜涂层的表面自由边界条件、薄膜涂层与基材连接的界面条件构成方程组，通过求解该方程组来获取每一第一类对称点与第二类对称点的层间应力。例如，薄膜涂层的表面自由边界条件可以利用下面的公式表示：
σzI(x,h)＝0,τzxI(x,h)＝0,
上面的公式2以及下面的公式中，I表示第一种金属材料，即基材，II表示第二种金属材料，即薄膜涂层。
另外，薄膜涂层与基材连接的界面条件在界面z＝0处的连续条件为：
uI(x,0)＝uΠ(x,0),wI(x,0)＝wΠ(x,0),θI(x,0)＝θΠ(x,0)
σzI(x,0)＝σzΠ(x,0),τzxI(x,0)＝τzxΠ(x,0)
其中，u、w分别表示两种不同的金属材料在x和z方向上的位移。
方便后面的描述，本实施例引入以下函数：
zn＝z+(2n-1)h,
并且，利用界面z＝0的连续条件，将式1代入到式3中，得到
κψ1I＝ψ1Π,
其中，
κ＝GΠ/GI，κ′＝(ΓIGΠ)/(ΓΠGI)，κ″＝(βIΓIGΠ)/(βΠΓΠGI) (式6)
然后，执行步骤S16，设定用六个级数函数表示的两个调和函数，其中，六个级数函数分别如下：
其中，ΨI和ΨII分别是对应于第一种材料和第二种材料的调和函数。
由于在无穷远处应力应该消失，故式7中出现的所有函数都必须在对应的坐标原点上有奇异性；另外，由于第二种材料内部无应力奇异点，故第二种材料的应力函数不应含zn的函数。
由式4，可以得到：
然后，执行步骤S17，将调和函数代入通解，并计算递推方程组，具体的，利用式8的关系，将式7代入到式5，得到：
另外，根据Dirichlet(狄利克雷函数)的单值性原理，如果
其中L、R分别表示等式的左右两边。由于在界面z＝0处，满足
因此有：
利用式11对式9进行求解，可以得到：
其中，
并且，在界面z＝h的边界条件存在2种边界条件：
第一种条件是，一阶对称点满足式2，因此可以推断得到：
第二种条件是，二阶以上对称点应该满足上下交替满足界面条件，因此可以推算得到：
而在z＝h的界面上有如下关系：
因此得到：
利用式15求解式13，可以得到：
只要确定式16中热源作用在半无限平面表面的调和函数，再利用递推关系，就能得到任意阶的调和函数。并且，已知热源作用在半无限平面表面的调和函数如下：
然后，执行步骤S18，利用递推方程组，按递推关系，计算获得所有四个级数函数后，计算所有的第一类对称点与第二类对称点的解析解。具体的，可以应用下面的方法计算调和函数：将调和函数A1、B1、C1，即式20代入到式12，可以得到n＝1的全部调和函数，再将式12的一部分调和函数代入到式19中，就可以确定调和函数A2、B2、C2，再将调和函数A2、B2、C2代入到式12中，n＝2的全部调和就可以确定。以此类推，就可以循环计算出n阶调和函数，最后，利用式1可以计算得到每一个对称点处的层间应力。
最后，执行步骤S19，计算得到多个对称点的层间应力后，形成薄膜涂层结构的层间应力曲线。
可见，本实施例通过设置多个对称点的方式计算薄膜涂层结构在每一个对称点上的层间应力，并且由此形成的层间应力曲线更加精确，为后续对薄膜涂层结构的加固处理等提供必要的条件。
计算机装置实施例：
本实施例的计算机装置可以是PC机或者智能手机、平板电脑等，计算机装置包括有处理器、存储器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述薄膜涂层结构的层间应力检测方法的各个步骤。
例如，计算机程序可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本发明的各个模块。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在计算机中的执行过程。
本发明所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
计算机可读存储介质实施例：
上述计算机装置所存储的计算机程序如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述智能卡写卡方法的各个步骤。
其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如基材与薄膜涂层所使用的材料的变化，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于，包括：
获取形成在基材上的薄膜涂层的厚度，确定热源在所述薄膜涂层表面的位置，以所述热源在所述薄膜涂层与所述基材所在的界面上的对应点为原点，计算所述热源关于所述原点镜像对称的第一类对称点中的第一对称点，并计算所述第一对称点关于所述热源镜像对称的第二类对称点中的第二对称点；
计算所述第一类对称点的后续对称点以及所述第二类对称点的后续对称点：每一所述第一类对称点关于所述原点与相对应的第二类对称点对称，每一所述第二类对称点关于所述热源与相对应的上一第一类对称点对称；
计算每一所述第一类对称点的层间应力以及所述第二类对称点的层间应力，形成所述薄膜涂层结构的层间应力曲线；
其中，计算每一所述第一类对称点的层间应力以及所述第二类对称点的层间应力包括：
获取预先设定的二维通解，并获取所述薄膜涂层的表面自由边界条件、所述薄膜涂层与所述基材连接的界面条件，设定用六个级数函数表示的两个调和函数；
将所述调和函数代入所述二维通解中，利用所述薄膜涂层的表面自由边界条件、所述薄膜涂层与所述基材连接的界面条件，计算递推方程组，按递推关系，计算获得所有四个级数函数，并确定所有所述第一类对称点与所述第二类对称点的解析解。
2.根据权利要求1所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于：
所述递推方程组由六个方程组成。
3.根据权利要求1所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于：
按递推关系计算获得所有四个级数函数包括：获取预先设定的点热源作用于无限平面表面的格林函数，并按递推关系计算所有四个级数函数。
4.根据权利要求1所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于：
所述二维通解为各向同性材料的二维通解。
5.根据权利要求1至4任一项所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于：
所述基材为第一金属材料，所述薄膜涂层为第二金属材料。
6.根据权利要求5所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法，其特征在于：
所述第一金属材料为钢，所述第二金属材料为铜。
7.计算机装置，其特征在于，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法的各个步骤。
8.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的薄膜涂层结构的层间应力检测方法的各个步骤。
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