涂层断裂韧性的声发射辅助拉伸测量方法

    0 引言

    涂层的断裂韧性与界面结合强度是表征涂层/基体材料体系力学性能的重要指标。但如何准确地测量出涂层的断裂韧性和强界面结合的涂层/基体材料体系的界面结合强度至今仍存在困难。常用来测量涂层材料界面结合强度的方法有垂直拉伸法[1]、弯曲法[2]、划痕法[3-4]、压痕法[5-6]、应力波法[7]、激光层裂法[8]等。这些方法各有利弊,比如拉伸法中的垂直拉伸法只适合于结合强度小于90MPa的涂层材料[9],划痕法由于受到许多与结合性能无关的外在因素和内在因素的影响[10]而被认为只是一种半定量的方法[11]。

    值得关注的是,对于脆性涂层/韧性基体这类材料体系,国外学者采用拉伸法研究了多种脆性涂层/韧性基体材料的界面剪切性能[12-15]。国内学者郑小玲等[16]对拉伸法测量界面结合强度进行了适用性研究。本文以脆性铬涂层/韧性钢基体材料为研究对象,采用声发射和显微镜实时动态检测技术并与拉伸实验相结合的方法,探索了铬涂层的断裂韧性以及铬/钢基体的界面剪切性能。铬涂层广泛地应于枪、炮身管等武器系统中,以达到防护钢基体材的目的[17-18]。在这些身管中,铬涂层发挥着防腐蚀、耐高温、耐磨损等重要的功能。实弹射击表明,镀铬枪管比不镀铬枪管寿命可提高5~6倍[17]。可以说,铬涂层的寿命极大地影响着枪、炮身管的使用寿命。而在工程实际中,脆性涂层/韧性基体材料体系典型的失效过程可以这样来描述:在热、机械等载荷作用下,先是涂层本身的开裂,裂纹很快就会贯穿到界面,然后是涂层与基体的界面开裂,界面裂纹扩展到一定程度,就导致了涂层从基体上的剥落。因此,评价该种材料体系中涂层的断裂韧性和界面结合性能就显得十分重要。涂层的断裂韧性指标反映涂层抵抗裂纹扩展的能力。界面结合的力学性能指标反映涂层与基体的界面抵抗破坏的能力。对于界面结合的力学性能,本文只研究其界面的剪切强度指标,因为界面在剪切应力的作用下,能够更接近于实际的工况条件[19]。本文采用的方法的优越之处在于可以利用声发射技术记录涂层/基体材料体系在载荷的作用下开裂的事件数和区别开裂的裂纹模式的功能[20],同时利用光学显微镜,能够实现实时动态检测涂层和界面开裂情况。本文给出的方法可以为工程实际中评价该种材料体系的涂层韧性指标和界面结合性能指标提供有价值的参考依据。

    1 实验过程、结果及讨论

    1.1 试件制作

    实验用的基体材料为优质碳素中碳钢,按常规工艺进行电镀铬。铬层的厚度为50Lm.然后按照拉伸试件的国家标准线切割试件,试件的尺寸为80 mm@20 mm@4105 mm,其示意图如图1所示。试件的平行段和过度弧的侧面须经机械抛光以消除应力集中,铬涂层表面经清洗干净以便实验过程中观察铬层表面的开裂状况。