激光冲击处理下铜薄膜多次疲劳损伤修复及寿命预测

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多晶铜薄膜材料在MEMS(micro-electro-mechanicalsystem)元器件中得到了广泛应用,由于铜薄膜在使用过程中经常承受循环载荷而发生破坏,疲劳强度已成为制约MEMS器件长期服役可靠性的因素之一。如何提高服役中的MEMS元器件的疲劳性能已成为国内外学者研究的重点。本文采用多次激光冲击修复的方式,试图提出一种能有效修复MEMS零部件疲劳损伤的方法,为提高服役中MEMS构件的疲劳性能提供参考依据。  首先,在最优激光参数下,对两种基准损伤程度的缺口试件进行了多次激光冲击修复的研究。结果表明采用激光冲击对试件进行多次损伤修复可以最大化延长试件的使用寿命。对于不同基准损伤程度的试件,当损伤程度为0.4,修复次数为3时效果最好,残余寿命提高到约4.6倍,累积寿命则提高到约7.8倍。而对相同基准损伤程度的试件进行多次损伤修复后,预制损伤的次序与残余寿命无关。随后对多次激光冲击修复的表面形貌的变化进行了分析。  其次,对激光冲击修复处理在试件表面所诱导的冲击应力进行了理论计算,并将该冲击应力下产生的残余应力值与实际结果相对比,发现没有明显的残余应力产生,即残余应力并不是导致铜薄膜寿命提高的主要原因。随后对两种基准损伤程度下的试件经多次修复后的名义应变变化进行了分析,结果表明激光冲击修复后试件疲劳寿命的提高是由工作硬化引起的。之后分别从微观金相组织特征,纳米颗粒分布和断口表面特征的角度对多次激光冲击修复处理方式的修复机理进行了进一步的讨论。  最后,通过引入修复次数,利用修正的名义应力法对多次激光冲击修复后损伤缺口试件的累积疲劳寿命进行了预测,结果表明,修正后的名义应力法的预测结果能够与试验结果相一致。
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