專利名稱：界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法。

背景技術(shù)：
材料表面改性是當(dāng)前材料科學(xué)與工程一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，通過在基體材料表面附著一層涂層，改善基體材料的耐磨性能與抗腐蝕性能，提高材料的使用壽命。但是低的涂層附著強(qiáng)度往往導(dǎo)致涂層在各種應(yīng)力作用下脫離基體，縮短材料的服役期。因此涂層的附著強(qiáng)度是涂層一個(gè)重要的性能參數(shù)。為準(zhǔn)確表征涂層附著強(qiáng)度，在過去十年中進(jìn)行了大量關(guān)于如何測量涂層附著強(qiáng)度的研究，提出了許多定性或定量的涂層附著強(qiáng)度測試方法，如劃痕法、鼓泡法等。劃痕法是通過硬質(zhì)壓頭在涂層表面滑動(dòng)，同時(shí)在壓頭上施加壓力并隨壓頭的移動(dòng)不斷增加，促使涂層脫離基體表面。通過聲發(fā)射信號或摩擦力判斷涂層是否脫離基體表面，將涂層最初脫離基體時(shí)壓頭受到的下壓載荷定義為臨界載荷，以臨界載荷值定性衡量涂層附著強(qiáng)度。缺陷在于臨界載荷只是涂層附著強(qiáng)度的間接反映量。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號CN1540309A，
公開日2004年10月27日，發(fā)明的名稱為《內(nèi)漲鼓泡法檢測金剛石涂層附著強(qiáng)度的測試技術(shù)》，該專利公開了利用壓力油從基體背面預(yù)加工的窗口容腔內(nèi)對涂層施加壓強(qiáng)，使涂層受到均布載荷的作用產(chǎn)生變形，再根據(jù)帕斯卡定律及板殼理論推導(dǎo)出涂層附著強(qiáng)度的定量測試方法。但是該方法不足之處是在基體背面加工窗口容腔，需要通過顯微加工，試樣制作工藝復(fù)雜；光刻顯微加工方法難于應(yīng)用與金屬基體；容腔中的壓力油對涂層與基體界面產(chǎn)生污染；涂層脫離基體后產(chǎn)生的界面裂紋不能直接觀察，只能通過激光干涉條紋間接測量脫離區(qū)面積，測量誤差受到光源波長的限制。由此可見，以上方法都有一定的缺陷，為更加準(zhǔn)確的測量涂層附著強(qiáng)度，需要進(jìn)一步完善對涂層附著強(qiáng)度定量測量方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用涂層界面裂紋擴(kuò)展阻力的測試方法。本發(fā)明具有簡單、快速的定量測量涂層附著強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明利用外加載荷推動(dòng)鑲?cè)牖w中的楔形塊，使附著在楔形塊與基體共同表面上的涂層撓曲，促使裂紋在涂層與基體界面萌生擴(kuò)展，通過顯微觀察設(shè)備，從涂層基體側(cè)面直接觀察裂紋幾何形狀，通過斷裂力學(xué)計(jì)算出涂層附著強(qiáng)度。
本發(fā)明具體方法步驟為 ①在涂層基體中預(yù)制一楔形槽； ②使用相同幾何形狀的楔形塊，并與楔形槽緊密配合； ③在基體帶有楔形塊的一側(cè)表面附著一層涂層； ④通過加載系統(tǒng)推動(dòng)楔形塊，使產(chǎn)生豎直方向的位移，導(dǎo)致涂層與基體界面出現(xiàn)裂紋； ⑤利用顯微觀察設(shè)備從被測物的截面或表面直接觀測裂紋形貌，測量裂紋形狀參數(shù)； ⑥將裂紋幾何形狀參數(shù)與涂層力學(xué)參數(shù)代入斷裂理論模型，計(jì)算出界面裂紋擴(kuò)展阻力G，以裂紋擴(kuò)展阻力G值來定量表征涂層附著強(qiáng)度。
步驟⑤中，所述的顯微觀察設(shè)備，可以是光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡或超聲顯微鏡等。
步驟⑥中，所述的界面裂紋擴(kuò)展阻力G 其中 a為對稱裂紋一半長度，b為楔形塊一半長度，w為楔形塊豎直與涂層表面的位移，E和v為涂層彈性模量和泊松比。
本發(fā)明的原理在基體制作一楔形槽，并用相同幾何形狀的楔形塊同槽緊密配合；應(yīng)用熱噴涂等涂層制備方法在基體的表面附著一層涂層，利用加載裝置推動(dòng)同楔形塊，使楔形塊發(fā)生豎直與涂層表面方向的位移，促使涂層與基體界面產(chǎn)生裂紋；通過斷裂力學(xué)計(jì)算出界面裂紋擴(kuò)展阻力，將界面裂紋長度a、楔形塊位移w、楔形塊長度b，以及涂層厚度h、涂層彈性模量E與泊松比v代入公式中，求出界面裂紋擴(kuò)展阻力，以裂紋擴(kuò)展阻力的值表征涂層附著強(qiáng)度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測試簡單，僅需要利用機(jī)加工方式制備出一由楔形塊與基體形成的共同表面，作為涂層的附著面，避免現(xiàn)有技術(shù)中鼓泡法需要光刻、化學(xué)腐蝕等微加工繁瑣工藝；利用外加載荷頂出楔形塊，促使界面產(chǎn)生裂紋，避免現(xiàn)有技術(shù)方法中提供壓力的液壓油同薄膜層直接接觸，污染涂層與基體界面的缺點(diǎn)；同時(shí)本發(fā)明方法可以利用各種觀察設(shè)備在試樣截面或表面直接觀測界面裂紋，豐富了測量方法，提高了測量精度，具體精度同觀察設(shè)備分辨率有關(guān)，在放大1萬倍條件下，可以精確到0.1μm，突破了應(yīng)用光衍射法裂紋長度測量精度僅為光源半波長的限制。因此，本發(fā)明方法有利于對涂層附著強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的測量。



圖1是本發(fā)明楔形塊與帶楔形槽基體緊密配合時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是圖1的側(cè)視圖 圖3是本發(fā)明界面裂紋產(chǎn)生時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是圖3的側(cè)視圖 其中1-涂層，2-楔形塊，3-基體
具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1-圖4所示，本實(shí)施例可按照以下步驟進(jìn)行 第一步在沒有附著涂層的基體3上應(yīng)用機(jī)械加工方法制作一楔形槽，同時(shí)制備一個(gè)同楔形槽可以緊密配合的楔形塊2。
第二步將楔形塊2放入槽中，形成光滑的表面。
第三步利用涂層工藝，在基體3同楔形塊2相配合的表面附著一層涂層1。
第四步通過加載系統(tǒng)推動(dòng)楔形塊2，使其產(chǎn)生豎直方向的位移，導(dǎo)致涂層1與基體3界面出現(xiàn)裂紋。
第五步將界面裂紋長度a、楔形塊位移w、楔形塊長度b，以及涂層厚度h、涂層彈性模量E與泊松比v代入公式(1)-(3)中，求出界面裂紋擴(kuò)展阻力，以裂紋擴(kuò)展阻力的值表征涂層附著強(qiáng)度。
應(yīng)用熱噴涂方法，在帶有長8mm楔形塊的304不銹鋼基體表面噴涂一層厚度h為0.4mm的WC涂層，楔形塊的一半長度b為4mm。已知WC涂層的彈性模量E和泊松比v為185GPa和0.25。利用電磁鐵的電磁力推動(dòng)楔形塊，使其發(fā)生豎直與涂層表面方向的位移，并促使WC涂層撓曲產(chǎn)生界面裂紋。通過光學(xué)顯微鏡在試樣側(cè)面直接觀測裂紋，得到裂紋總長為31mm，因此對稱裂紋一半長度a為15.5mm。涂層脫離基體區(qū)中心部分撓曲w為0.1mm。
利用公式(1)-(3)，得到本實(shí)施例的裂紋擴(kuò)展阻力G為7.55J/m2。因此，本實(shí)施例中WC涂層的附著強(qiáng)度為7.55J/m2，實(shí)現(xiàn)了對涂層附著強(qiáng)度快速、準(zhǔn)確的測量。
權(quán)利要求
1.一種界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法，其特征在于，利用外加載荷推動(dòng)鑲?cè)牖w中的楔形塊，使附著在楔形塊與基體共同表面上的涂層撓曲，促使裂紋在涂層與基體界面萌生擴(kuò)展，通過顯微觀察設(shè)備，從試樣的截面或表面直接觀察裂紋幾何形狀，通過斷裂力學(xué)計(jì)算出涂層附著強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法，其特征是，具體方法步驟為
①在涂層基體中預(yù)制一楔形槽；
②使用相同幾何形狀的楔形塊，并與楔形槽緊密配合；
③在基體帶有楔形塊的一側(cè)表面附著一層涂層；
④通過加載系統(tǒng)推動(dòng)楔形塊，使產(chǎn)生豎直方向的位移，導(dǎo)致涂層與基體界面出現(xiàn)裂紋；
⑤利用顯微觀察設(shè)備從被測物的側(cè)面直接觀測裂紋形貌，測量裂紋幾何形狀參數(shù)；
⑥將裂紋幾何形狀參數(shù)與涂層力學(xué)參數(shù)代入斷裂理論模型模型，計(jì)算出界面裂紋擴(kuò)展阻力G，以裂紋擴(kuò)展阻力G值來定量表征涂層附著強(qiáng)度。
3.如權(quán)利要求2所述的界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法，其特征是，步驟⑤中，所述的顯微觀察設(shè)備，是光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡，或超聲顯微鏡。
4.如權(quán)利要求2所述的界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法，其特征是，步驟⑥中，所述的界面裂紋擴(kuò)展阻力G
其中
a為對稱裂紋一半長度，b為楔形塊一半長度，w為楔形塊豎直與涂層表面的位移，E和v為涂層彈性模量和泊松比。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種檢測技術(shù)領(lǐng)域的界面裂紋擴(kuò)展阻力表征涂層附著強(qiáng)度的測試方法。本發(fā)明利用外加載荷推動(dòng)鑲?cè)牖w中的楔形塊，使附著在楔形塊與基體共同表面上的涂層撓曲，促使裂紋在涂層與基體界面萌生擴(kuò)展，通過顯微觀察設(shè)備，從試樣的側(cè)面或表面直接觀察裂紋幾何形狀，通過斷裂力學(xué)計(jì)算出涂層附著強(qiáng)度。該測試方法克服了現(xiàn)有涂層附著強(qiáng)度測試方法測試試樣制備復(fù)雜、涂層與基體界面受到污染、膜基界面裂紋不能直接觀察缺點(diǎn)，提供了一種簡單、快速的定量測量涂層附著強(qiáng)度的方法。
文檔編號G06F19/00GK101109696SQ20071004448
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月2日
發(fā)明者耀 沈, 聶璞林, 滔 周, 珣 蔡 申請人:上海交通大學(xué)