脆性涂层／韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为

脆性涂层／韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为 脆性涂层,韧性基体材料在拉伸应变作用 下的开裂行为 第44卷第5期 2008年5月 机械工程v.1_44No.5 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGMay2008 脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变 作用下的开裂行为木 杨班权1,2,3陈光南张坤罗耕星肖京华 (1.中国科学院力学研究所北京100190; 2.中国人民解放军装甲兵工程学院机械工程系北京100072; 3.中国科学院研究生院北京100190) 摘要:提出一种在脆性涂层/韧性基体材料中含弹塑性界面层的剪滞模型.研究脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下, 其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面脆性涂层的开裂行为特征,探讨涂层内正应力,界面切应力,涂层的裂纹密度与涂层几何,力学等参数之间的内在联 系,获得了涂层内正应力,界面切应力和(饱和)裂纹密度的解析表达式.最后利用这些参量及其间的内在联系,以工程实际 中的脆性cr涂层/韧性钢基体材料为研究对象,研究该种材料在拉伸过程中出现的断裂行为特征.研究结果表明,该材料在 拉伸应变作用下出现的饱和裂纹密度与理论结果预测值符合较好. 关键词:脆性涂层韧性基体弹塑性界面层拉伸应变断裂特征 中图分类号:TB302.3TGll5.5 FractureBehaviorofaBrittleCoatingona StrainedDuctileSubstrate YANGBanquan,'CHENGuangnanZHANGKunLUOGengxingXIAOJinghua (1.InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,TheAcademyofArmoredForcesofPLA,Beijing100072; 3.GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190) Abstract:Anelastic-plasticinterfacelayerbetweenabrittlecoatingandaductilesubstrateispresentedtoinvestigatethefracture behaviorofthebrittlecoatingontheductilesubstrateunderthetensileload.Usingamodifiedshear-lagmodel,theanalytical solutionsforthedistributionlawsofthetensilestressdevelopedinthecoatmg,theshearstressdevelopedalongtheinterfaceandthe relationshipbetweenthecrackdensityofthebrittlecoatingandtheappliedstrainofthesubstratecanbeobtained.Theseanalytical resultsareappliedtoinvestigatethefracturebehaviorofahardandbrittlechromiumcoatingonanormalmediumcarbonsteel substrate.Theexperimentresultsshowthattheaveragesaturatedcrackdensityofthebrittlechromiumcoatinghasagoodagreement withthatpredictedbythesolutionpresented. Keywords:BrittlecoatingDuctilesubstrateElastic-plasticinterfacelayerTensilestrainFracturecharacterization 0前言 在表面工程与材料科学中【卜,广泛采用各种各 样的涂层(薄膜)技术以达到防护基体材料的目的, 这些涂层在实际工程中发挥着防腐蚀,耐高温,耐 磨损等重要的作用.涂层与基体材料依据其弹塑性 ?国家自然科学基金重点资助项目(50531060).20070524收到初稿, 20071220收到修改稿 性能有脆性和韧性之分,本文研究对象为脆性涂层/ 韧性基体这类材料体系,比如电镀Cr/钢基体,TiN/ 钢基体,Al2O3/铝合金基体,玻璃/聚合物基体等材 料都属于脆性涂层/韧性基体这类材料体系.对于工 程实际中的多数涂层/基体材料,从很大程度上说, 涂层材料的寿命可以决定整个零部件或设备的寿 命.在服役的过程中,由于涂层材料与基体材料在 力学,热学等性能方面上存在着差异,因此在机械, 热等各种载荷的作用下会表现出两种材料在应力, 应变上的失配,最终会引起涂层在基体上的剥落而 机械工程第44卷第5期 导致结构或零部件的失效. 对于脆性涂层/韧性基体这类材料体系,涂层典 型失效过程的第一步是涂层在拉应力的作用下而导 致涂层的预先开裂【3J,因此对于知道涂层开裂的临 界条件和裂纹的进一步演化发展规律是很有意义 的.对于采用拉伸法研究涂层.基体材料的力学性 能,正如文献【4】所指出的,至今仍是一种比较重要 和可靠的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .拉伸法的优势在于可以很好地控制 涂层开裂的裂纹特征,同时又可以很方便地利用显 微镜技术实现实时观察涂层表面的开裂情况.对于 在拉伸载荷作用下,脆性涂层在韧性基体的开裂行 为研究已有一些成J,在理论分析方面均来自于 纤维增强复合材料中的剪滞模型】,即断开的涂层 所受的任何应力都必须经由涂层与基体的界面来传 递,但是在理论上,研究者们通常假定涂层与基体 界面上的切应力服从某种函数分布,比如 AGRAWAL等J假定界面上的切应力服从正弦函 数分布,CHEN等[61假定界面上的切应力服从四分 之一椭圆函数分布.其实,在很多情形,涂层材料 与基体材料在弹性模量,泊松比等力学性能上存在 着较大的差异,在载荷的作用下,为了要满足两者 的变形协调关系,必然会在界面上或界面的附近产 生切应力,因此在界面或界面的附近一定会出现一 层受切应力的影响而发生剪切变形的界面层.本文 提出了一种在涂层/基体材料体系中含弹塑性界面 层的剪滞模型,研究了在单向拉伸载荷作用下脆性 涂层在韧性基体材料上的断裂特征,探讨了涂层内 正应力,界面切应力,涂层的裂纹密度与涂层的几 何,力学等参数之问的内在联系.最后以工程实际 中的脆性Cr涂层/韧性钢基体材料为试验研究对 象,研究了脆性Cr涂层/韧性钢基体材料在拉伸的 过程中出现的断裂行为特征.由于Cr涂层具有良好 的防腐蚀,耐高温和耐磨损等重要的功能而广泛地 应用于枪,炮身管等武器系统中". 1涂层/基体含界面层的力学建模及 方程式推导 1.1力学建模 在单向拉伸载荷的作用下,脆性涂层开裂的方 向与拉伸载荷的方向相垂直,裂纹呈现周期性的特 征【4_7】.在一般情形下,由于涂层脆而薄,裂纹很快 就会贯穿到界面,因此在本文中,假定界面层位于 基体材料一侧,并与基体材料具有相同剪切性能, 同时假定界面层为理想弹塑性材料,如图1所示. 图1拉伸载荷作用下脆性涂层在韧性 基体材料的断裂特征示意图 在图1中,dl为涂层的厚度,为界面层的厚 度,取决于界面层发生剪切塑性变形的深度,d为 基体的厚度,为裂纹张开位移,为两相邻裂纹 的问距. 在拉伸载荷作用下,涂层断开的每一小块中的 拉伸应力和界面剪切应力分布如图2所示.其中:a 为断开后的小块涂层粘接在基体上的一半长度, z-()为界面切应力,()为涂层内正应力. 拉 ,_H\一一l_T\断开的小块涂层厂 界面层 ] }荷基体 l max . '',. . f'.一 'D口 I : 'max/ 一 口一口'Oaca , , 图2断开的小块涂层内的正应力与 界面上的切应力分布图 荷 对于每一断开的小块涂层,在自由边界附近处 存在应力集中【1】,于是可以假定小块涂层在大于 a—a处,存在的应力集中可以使得界面层发生塑 性变形.如果应力集中使得界面层没有发生塑性变 形即只发生弹性变形,则为图2中的虚线所表示的 切应力. 2008年5月杨班权等:脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为59 1.2推导 对于断开的小块涂层,涂层内的正应力与界面 切应力r(x)有如下关系 dl—dtr _ (x) :一f()(1) 在本文中,由于涂层较薄,可以假定涂层内的 正应力在涂层的横断面上均匀分布,同时小块涂层 中间受到的最大正应力与界面的切应力r(x) 满足下面平衡关系 一 = (x)dx(x)dx(2)一Jof? 令在拉伸载荷的作用下,断开的小块涂层发生 的位移为w(x),则有 ():Edw , (x). (3) ( 式中为涂层的弹性模量.令拉伸载荷引起的伸长 应变为,则界面层内的切应力为 f):—G[— 6x _ - 一 w(x)] x<ac(4) r(x)=G,,b=?a.(5) 式中,G为界面层的切变模量,为界面层的剪切 屈服塑性流动应力.将式(3),(4)代入式(1)得 d2w(x)一 k)=-k(6) a一 七:匹dld2E 方程式(6)的解为 w(x)=cexp(kx)+cexp(一kx)+ 式中C1,G为常系数.根据图2中所示小块涂层 内正应力和界面切应力的分布特点,在自由边界面 上,涂层的正应力为零;在小块涂层的中心位置 上,界面上的切应力为零,即有已知条件 tr(a)=(一口):0f(0)=0 将这两已知条件分别与式(3),(4)相结合,可得w(x) 表达式为 )=一——:—_sinhkx+(7) COShag 于是可求得小块涂层内正应力分布的表达式为 ):一coshkx+E(8) COSnaK. 界面层发生理想弹塑性变形时界面切应力分布的表 达式为 f)=GEsinhkx<口 .(9) 当?a.时,界面切应力分布规律为式(5).方程式 (9)也可代表界面只发生弹性变形的情形,此时的约 束条件为?a. 可令为涂层断裂的临界应力即涂层的断 裂强度,于是对于界面层只发生弹性变形的情 形,由式(2),(9)可求得涂层裂纹密度的解析表达 式为 =arc.sh 【G6j(?.) 对于界面层发生理想弹塑性变形的情形,根据 式(2),(5),(9)可求得裂纹密度的解析表达式 = 去=訾(11) 式中 业Gcosh (Gtrek)]II一JJ 血 【j 对于塑性基体发生很大的应变的情形,利用双 曲函数的极值特征,由式(11)可以导出一个饱和裂 纹密度的表达式为 "t-b(12) 从式(12)可看出,对于在基体发生塑性大应变 的情形下,饱和裂纹密度与界面层的剪切屈服塑性 流动应力,涂层断裂强度和涂层的厚度有关.通过 分析式(10卜(12),可得以下几点. (1)对于一给定的拉伸应变,弱的界面层或低 的基体剪切屈服塑性流动应力会导致低的裂纹 密度. (2)对于一给定的,涂层裂纹密度与涂层的 厚度有递减的关系. (3)在其他条件都给定的情形下,高的涂层断 裂强度会导致低的裂纹密度. 2Cr涂层/钢基体材料的拉伸试验 2.1试件制作 试验用的基体材料为优质碳素中碳钢,按常规 工业工艺进行电镀铬.铬层的厚度为50gm.然后 按照拉伸试件的国家标准线切割试件.试件的尺寸 示意图如图3所示.为了消除应力集中,试件的平 行段和过度弧的侧面须经机械抛光,铬涂层表面须 清洗干净,以便于在试验过程中观察铬层表面的开 机械工程第44卷第5期 裂状况. 图3试件尺寸不意图 2.2试验过程及结果分析,讨论 试件制作完后,在室温下将其安放在涂层材料 万能试验机上,载荷的量程设定为50kN,十字头 位移加载的速率设定为0.5mm/min.将光学显微镜 的位置调整好,以便能够方便地观察到试件的侧面 与铬涂层的表面.在拉伸载荷的作用下,通过光学 显微镜,可以发现涂层表面裂纹的数量随着拉伸应 变的增加而增加,当达到一定应变的时候,裂纹数 量几乎保持恒定,即裂纹密度达到了饱和状态,此 后随着应变的增加,只发现裂纹的张开位移随着应 变的增加而增加.当裂纹的密度达到饱和之后,涂 层的表面与侧面图分别如图4a,4b所示. (a)铬涂层-钢基体侧面图 (b)铬涂层表面图 图4铬涂层在裂纹饱和时的开裂图 从图4a,4b可得到,铬涂层在拉伸载荷作用下, 涂层沿与垂直拉伸的方向开裂,裂纹呈现准周期性 的特征.从图4a可看出,我们只观察到垂直于界面 的铬涂层裂纹,而没有能够观察到界面开裂的情况. 虽然铬涂层裂纹的张开位移最大处可达30pm,但 是在整个试件的平行段,界面开裂并未发生.一般 来说,涂层/基体材料在载荷作用下,开裂的裂纹模 式有三种【l2J:第一种是涂层本身的开裂,一般情形 是裂纹开裂的方向垂直于界面;第二种是涂层与基 体界面由于拉应力作用而导致的张开型开裂;第三 种是涂层与基体的界面由于剪切应力的作用而导致 的剪切滑开型开裂.本文的脆性铬涂层与韧性钢基 体在单向拉伸载荷作用下,在整个试件的平行段都 没有出现后两种模式的界面开裂,这表明铬涂层/ 钢基体材料是属于强结合类的脆性涂层/韧性基体 材料体系. 当确保涂层裂纹已经饱和时,停止加载并缓慢 卸载,卸载完后从试验机上取下试件,此时可观察 到基体已经发生了较大的塑性变形.这表明在基体 塑性变形的过程中,韧性钢基体的剪切屈服塑性流 动应力可以施加在涂层与基体的界面上,虽然此时 的界面开裂并未发生,但是根据文献[4]处理界面切 应力值的理论基础和方法,可以将韧性钢基体的剪 切屈服塑性流动应力作为施加在该种材料的界面切 应力.根据Mises的各向同性塑性理论,材料的拉 伸屈服应力为剪切屈服应力的?3倍,试验用的钢 基体材料的拉伸屈服应力为360MPa,可以计算出 钢基体的剪切屈服应力为207.85MPa.在室温下铬 的断裂强度约为280MPa【l,试验用的铬涂层厚度 为50岬,由式(12)可以求得铬涂层的饱和裂纹密度 约为7.4条/mm,而从本文试验中测得的铬涂层饱 和平均裂纹密度约为7.0条/mm,从这结果来看, 实测的饱和裂纹密度与本文模型解析式(12)导出的 裂纹密度在误差范围内是比较相近的.拉伸法除了 能够研究该种材料体系的脆性涂层开裂特征外,最 重要的是被广泛采用来测量涂层的断裂性能和界面 结合性能【4】,比如涂层的断裂强度,断裂韧度和界 面结合的抗剪强度等.因此,本研究提供的理论成 果可以用来研究该种材料体系的力学性能,比如在 知道饱和裂纹密度,涂层断裂强度和涂层厚度的条 件下,式(121可以用来研究涂层与基体界面结合的 抗剪强度. 本文提出的力学模型也属于剪滞模型,即断开 的每块涂层与基体之间的应力经由界面来传递.根 据对力系的简化分析,在应力传递的过程中,涂层 产生弯曲变形和应力.由于涂层与基体泊松比的差 2008年5月杨班权等:脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为 异,在垂直于纸面的方向会产生第三方向的应力. 计算分析表明,由于泊松比的差异带来的第三个方 向的应力可以忽略,因此本文的力学模型可以简化 为平面问题,其断开的小块涂层的受力分析如图5 所示. 口 图5小块涂层横断面上应力和其界面上应力的分布图 图4中的每块涂层的宽厚比在裂纹饱和后约为 3:1,但是在涂层裂纹饱和前其宽厚比会大于6:1, 因此在裂纹饱和前由于每块涂层宽厚比带来的弯曲 变形和应力也可以不予考虑.裂纹饱和后,弯曲变 形和应力会由于宽厚比的增大而变得显着,但是裂 纹已经饱和,弯曲变形和应力不会影响到本文的结 果. 3结论 (1提出了一种在脆性涂层/韧性基体材料体系 中含弹塑性界面层的剪滞模型,获得了这类材料体 系在拉伸应变作用下涂层内正应力,界面切应力和 (饱和)裂纹密度的解析表达式. (2)以脆性Cr涂层/韧性钢基体材料为试验对 象,得到涂层的饱和裂纹密度与本文的理论结果符 合较好. (3本文的理论成果还可以用来研究脆性涂层/ 韧性基体材料体系的界面结合性能. 参考文献 [1】FREUNDLB,SURESHS.Thinfilmmaterials,stress, defectformationandsurfaceevolution[M].Cambridge: CambridgeUniversityPress,2003. [2】徐滨士,朱绍华.表面工程的理论与技术[M】.北京:国 防工业出版社,1999. XUBiushi,ZHUShaohua.Thetheoryandtechnologyof surfaceengineering[M1.Beijing:DefenseludustryPress, l999. [3】GILESAS,NIGELJ,JONATHANH.Adhesionofthin coatings--~.heVAMAS(TWA22-2,interlaboratory exercise[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2005, 197(2-31:336-344. [4】XIECJ,WEICrackinganddecohesionofathinA1203 filmonaductileAI-5%Mgsubstrate[J].Acta.Materialia, 2005,53(2):477-485. [5】AGRAWALDC,RAJR.Measurementoftheultimate shearstrengthofaMetal-Ceramicinterface[J].Acta. Metallurgica,1989,37(4):l265-l270. [6】CHENBF,HW.ANGJ,CHENIF'eta1.Atensilefilm crackingmodelforevaluatinginterfacialshearstrengthof elasticfilmonductilesubstrate[J].SurfaceandCoatings Technology,2000,126(2-3):91-95. 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