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：