应力应变测试方法综述

Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉ　ｌｍ　徐鹏ｆｌ　张萌　Ｘｕ　Ｐｅｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｍｅｎｇ　（１．南昌大学分析测试中心；２．南昌大学材料科学与工程学院，南昌３３００４７）　（１．Ａｎａｌｙｚｅ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；　２．Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００４７）　摘要：本文总结了薄膜应力的一些测量方法，对一些主要测量方法的基本原理及各自的特点进行了综述。探讨了薄　膜应力研究的发展方向。　…一　关键词：薄膜：应力　中圈分类号：ＴＨ１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—４７９２一（２００６）１２—０１２５—０２　引言　随着传统光学、信息光学、半导体学、电学、材料学等　的不断进步，以及计算机技术、真空技术、光电子技术、测　控技术的飞速发展，薄膜光学器件以及薄膜电子器件得到了　日益广泛的应用。但是薄膜应力的存在直接影响薄膜元器件　的成品率、稳定性和可靠性Ｉ　。因此，研究薄膜应力显得　尤为重要。　薄膜应力的产生原因很复杂，许多人对薄膜应力产生原　因进行了大量的研究，提出了各种理论基础。归结为以下两　个方面：一方面是由于薄膜和基体的热膨胀不同而引起的。　在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜　后，下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，　便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属　效应，但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。　薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热　胀冷缩效应而引起的薄膜内应力。另一方面是薄膜生长过程　中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的，主要是指薄膜　在形成过程中的内应力，也称为本征应力。本征应力又可分　为界面应力和生长应力。界面应力来源于薄膜与基体在接触　界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜　生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。本征应力与薄膜　的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的　不同而不同。　１　薄膜应力的测量方法　关于薄膜应力的测量始于１８７７年，但首次成功测得电镀　膜内应力是在１９０９年Ｓｔｏｎｅｙ利用基底的变形完成的。此后，　大部分测量都采用了相类似的方法。　实际上，应力与应变是同一个问题的两个不同方面，因　★基金项目：南昌大学校基金　此测量应力与测量应变具有同样的效果。在薄膜应力研究中　一般只考虑宏观应力，那么薄膜应力测量首先是以应变测量　为基础，然后根据材料力学和弹性力学理论进行计算，从而　得到薄膜应力的数值。从总体看，目前用于测量薄膜应力的　方法主要有三类：基片变形法、ｘ衍射法、拉曼光谱法　＿　。　１．１基片变形法　沉积在基片上薄膜的应力会造成基片的弹性弯曲，通过　测量薄膜沉积前、后基片弯度或曲率半径的变化，可以测量　薄膜内的平均应力ｆ５１。　固定矩形薄基片的一端并测出其初始位置，然后在薄膜　表面镀膜，薄膜内应力使薄片自由端产生变形，测出薄片自　由端的位移，根据材料力学公式，确定内应力。Ｂｅｒｒｙ等人　对镀膜后的悬臂变形进行了更深入的力学分析，对悬臂梁法　的Ｓｔｏｎｅｙ公式进行修正，修正后的悬臂法测量薄膜应力的公　式为　—　Ｅ。ｔ　６　ａｊ———　一　３（Ｉ－ｏ￣）Ｌｔｆ　式中，Ｅ为基片的杨氏模量；Ｕ。为基片的泊松比；Ｌ为　基片长度；ｔ。为基片厚度；ｔ　为薄膜厚度。　

应力应变测试方法综述

引言：

应力应变测试是材料力学性能测试中的重要内容之一，用于研究材料在外力作用下的变形行为。本文将综述常见的应力应变测试方法，包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验和扭转试验。

一、拉伸试验

拉伸试验是最常用的应力应变测试方法，用于测量材料在拉伸条件下的力学性能。试样被拉伸时，应力与应变之间的关系可以通过应力-应变曲线来描述。常见的应力应变曲线包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。

二、压缩试验

压缩试验是将试样置于压力下进行测试的方法。与拉伸试验类似，压缩试验可以得到材料的应力-应变曲线。对于韧性材料，其应力-应变曲线呈现出相似的趋势，但压缩应力往往比拉伸应力大。

三、剪切试验

剪切试验是用于测量材料在剪切载荷下的变形行为的方法。试样在剪切力的作用下，发生切变变形。剪切试验可以得到剪切应力与剪切应变之间的关系，常用的剪切应力-应变曲线包括线性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。

四、扭转试验 扭转试验是测量材料在扭转载荷下发生的变形行为的方法。试样在扭转力的作用下发生扭转变形。扭转试验可以得到剪切应力与剪切应变之间的关系，常见的应力应变曲线包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。

五、其他应力应变测试方法

除了上述常见的应力应变测试方法外，还有一些特殊的测试方法，如冲击试验、疲劳试验等。冲击试验用于评估材料在高速冲击载荷下的性能，疲劳试验用于研究材料在循环载荷下的疲劳寿命。

六、应力应变测试的应用领域

应力应变测试方法广泛应用于材料科学、机械工程、土木工程等领域。它可以帮助工程师和科学家了解材料的力学性能，评估材料的可靠性和安全性。在材料研发、产品设计和结构分析中，应力应变测试是不可或缺的工具。

结论：

应力应变测试是研究材料力学性能的重要手段，常见的测试方法包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验和扭转试验。通过这些测试方法，可以获得材料的应力-应变曲线，从而评估材料的力学性能和变形行为。应力应变测试在材料科学和工程领域具有广泛的应用，对于材料的研发和工程设计具有重要意义。

测量应变、应力的方法详解

一、测量应变、应力谱图

1. 衡量应力集中的区域，布置应变片

可以通过模拟（有限元）或试验（原型上涂上一层油漆，待油漆干后施加载荷，油漆剥落的地方应力集中），确定应力集中的区域，然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片：

因为材料是各向同性，所以x、y方向并不一定是水平和竖直方向，但两者一定要垂直，中间一个一定要和x、y方向成45°角。

2. 根据测的应变和材料性能，计算应力

测得的三个应变，分别记为εx、εy、εxy。两个主应力（假设只有弹性变形）：

其中，E 为材料的弹性模量，µ 为泊松比。根据这两个主应力，可以计算出有些方法可能需要的等效应力（主要目的是将多分量的应力状态转化为一个数值，以方便应用材料的疲劳数据），如米塞斯等效应力：

或最大剪应力：

实际测量的是应变-时间谱图，应力（或等效应力）-时间谱图可由上述公式计算。

3. 分解谱图

就是对上面测得的应力（应变）-时间谱图进行分解统计，计算出不同应力（包括幅度和平均值）循环下的次数，以便计算累积的损伤。最常用的是雨流法 (rainflow countingmethod)。

二、获取材料数据

如果载荷频率不高，可以做一组简单的疲劳测试（正弦应力、拉压或弯曲均可，有国家标准）：

得

到一条应力-寿命（即循环次数）曲线，即所谓的S-N曲线：

如果载荷频率较高或温度变化较大，还要测量不同平均应力和不同温度下的S-N载荷，以便进行插值计算，因为此时平均应力对寿命有影响。也可以根据不同的经验公式（如Goodman准则，Gerber准则等），以及其他材料性能（如拉伸强度，破坏强度等），由普通的S-N曲线（即平均应力为0）来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。

如果材料数据极为有限，或者公司很穷很懒不愿做疲劳试验，也可以由材料的强度估算疲劳性能。

如果出现塑性应变，累计损伤一般基于应变-寿命曲线（即E-N曲线），所以需要施加应变载荷。

运输车应力应变实验方案

一、 实验目的

1. 掌握用电阻应变片贴片技巧与理论分析方法；

2. 掌握应力应变仪数据采集分析和使用方法；

3. 验证测量应变值、理论计算值和仿真分析值的一致性；

4. 做好实验与软件分析的差异性。

二、 实验原理

应变片电测法是用电阻应变计测量结构的表面应变，再根据表面应变——应力关系确定结构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。测量时，将电阻应变片粘贴在零件被测点的表面。当零件在载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化，用应变仪测出这个变化，即可以计算被测点的应力和应变。

三、 仪器与耗材

电阻式应变片（120—3AA），接线端子，装有DCS-100A软件的PC机，PCD—300B数据分析仪，硅橡胶，502胶水，聚四氟乙烯薄膜，镊子，小螺丝刀，剪刀，酒精，砂纸，电胶带，透明胶带，若干导线，称砣，弹性钢板， 220V稳压电源，悬臂梁，万用表，电烙铁。

四、 实验内容

测试运输车车架的应力应变。

五、 实验步骤

1． 粘贴应变片

1） 去污：为了使电阻应变片能准确的反映构件被测点的变形，必须使电阻应变片和构件表面能很好地结合。用砂纸去除构件表面的油污、漆、锈斑等，并用纸巾搽干净构件表面以增加粘贴力，用浸有丙酮的脱脂棉球擦洗；

2） 测量：用万用表测量应变片的完好性；

3） 贴片：先用镊子把应变片和接线端子线性的固定在透明胶带的一边，缓慢的将带有应变片和接线端子的透明胶带贴在构件表面，然后用镊子小心翼翼的把带有应变片和接线端子这边的透明胶带挑起，将准备好的502胶水用聚四氟乙烯拨片均匀的涂在构件与透明胶带之间，然后用拇指把准备好的聚四氟乙烯薄膜片迅速垂直压在带有应变片和接线端子这边的透明胶带上，并保持一分钟时间。去掉聚四氟乙烯薄膜片，用镊子小心翼翼的粘在应变片和接线端子上的透明胶带去掉，仔细检查贴在构件表面的应变片和接线端子是否粘贴好；

4） 焊接导线：将应变片上引出的两根导线通过接线端子与外部的导线焊接在一起。然后用电胶带把裸露在外面的导线固定好，最后再用万用表检测贴好的应变片是否完好。