可见,随着压入载荷的增加,在 p-h 曲线上出现台阶,显示在涂层中萌生几了呈近似环
形的穿透膜层的裂纹。每个台阶对应涂层中的 1 个近似环形的穿透膜层的裂纹,因此定义
台阶处的载荷 pf 为涂层断裂失效的临界载荷。这样由压入曲线可得到 4 种涂层的断裂失效
临界载荷户分别为 11.1mN 、16.4mN 、35.5mN 和 56.3mN。可见多层涂层的断裂失效载荷明
显高于单层 TiN 涂层;随涂层层数的增加,其临界载荷 psub>f 值增大。这是因为多层涂层
中的中问层可阻止裂纹的萌生与扩展(中间层阻止裂纹萌生和扩展的能力同其厚度和层数
有关)。
根据某文献记载,涂层的断裂韧性 Ksub>IC 可由下式计算:
E 和 v 为涂层的弹性模量和波松比;2pRC 为涂层中裂纹的长度;t 为涂层厚度;U 为裂
纹出现前后的应变能变化。p-h 曲线上的面积反映了涂层/基体系统的弹塑性变形能,产生
第 1 个近似环形穿透膜层的裂纹时释放的应变能 U 可根据曲线上的台阶处的而积计算得
到。Kazmanli 等也描述了 p-h 曲线上的台阶与裂纹形成的关系。由式(1)计算可以得到 4 种
涂层的断裂韧性分别为 1.51MPa·m½、2.18MPa·m½、3.4MPa·m½ 和 3.9MPa·m½。可见随着涂
层层数的增加,其断裂韧性值增大。但采用多层涂层,增加了工艺的复杂性和成本,故应
选择合适的层数。为此我们推荐采用 TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
涂层。
p-h 曲线描述了涂层断裂失效的情况;而用 p-h2 曲线可以反映减摩耐磨涂层断裂失效
前涂层/基体界而的变化,尤其是多层涂层间的界面变化。对于单体相材料,压入深度中
塑性变形分量为 hp,弹性变形分量为 he,则总压入深度 h:
f 和 y 为与压头几何形状有关的参数;p 为载荷;HV 为硬度;E
为弹性模量。
因此可得 p=Kh2,K 为 Loubet 弹塑性参数.对单一体相材料的压入过程,p h2
∝
。研究
涂层/基体系统时,发现其典型的 p-h2 关系曲线上从原点到拐点的直线段符合 p h2
∝
关系,
反映了涂层的弹塑性变形。根据 Hertz 接触理论分析,发现最大剪应力仍位于被压入的涂
层中,而末能使基体产生屈服,因此直线段反映的仅仅是涂层的变形情况.越过拐点后 ,
很高的剪切应力使得基体产生屈服,从而使涂层发生弯折,界面发生变化,在卸载过程
中部分界面脱附,在拉应力作用下接触区周围出现材料堆积,直至在台阶处出现裂纹。因
此用拐点处载荷 pi 表示涂层界而变化的临界载荷,p-h2 与 p-h 曲线完整反映了涂层界面
变化和断裂失效的整个过程.4 种涂层的 p-h2 曲线,虚线为符合 p h2
∝
的直线,实线为
压入过程中的 p-h2 曲线,拐点位于实线与虚线的分离点.从原点到拐点的任线段反映的
是涂层本身的变形情况,拐点处载荷值低于台阶处的载荷值.通过 SFM 观察可发现在相
应的台阶载荷下涂层表面出现裂纹。由压入试验数据可知,单层 TiN 涂层在 pi=3.13 mN 处
发生界面变化,表明单层涂层的界面结合较弱,涂层的韧性也较差.而 TiN/Ti(C, N)/TiC
涂层则在 pi=7.5 mN 时发生界面变化。从原点到台阶均为直线段(实、虚线重合),说明 2 种
涂层在断裂失效前末发生明显的界面变化。故 TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC 和 TiN/Ti(C,
N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC 多层涂层具有较高的界面强度和较好的韧性。
耐磨性
脆性涂层材料表面在摩擦过程中发生断裂、剥离及破碎,这时涂层的耐磨性主要取决
于材料的抗脆断能力。因此,增加材料的强度和断裂韧性可提高其耐磨性。考虑到材料的
品质因素(此处不考虑摩擦区的温度及化学磨损等影响,若考虑温度影响时需进行修正),
涂层材料的耐磨性 WR 可表示为: