剪切法测界面平均剪切强度

剪切法（shear test）［35－37］常用于测量厚涂层的界面剪切性能，其示意图如图1.7所示。

图1.7　剪切法示意图

这种实验装置较简单，圆柱形试件不带涂层部分的半径接近于被固定的套筒的半径，凸出的涂层将在载荷Fp的作用下被剪切掉。界面的平均剪切强度可按式（1.8）计算。

式中，Fp为涂层被剪断的临界载荷；D为试件的直径（不加上涂层的厚度）；h为涂层在试件上的高度。这种方法操作起来比较简单，非常适合于各类厚涂层材料，如文献［35］与［36］所采用的热障涂层厚度分别约300μm和200μm。但是，对于十分薄的涂层（nm至十几μm）可能会无法实施。因为套筒与试件的加工误差可能会在涂层的厚度范围内，这个厚度范围的涂层可能不会被剪切到。Era等［35］指出，剪切法有一不足之处在于靠近涂层自由边界的界面处存在应力集中，为了减少该处的应力集中，他们在该处预制了一个半圆形的凹槽。

剪切法除了可以用来测量界面的剪切强度指标外，还可以用来研究界面结合性能的韧性指标，Guo等［36］采用一套类似于“鱼钩”的方法，如图1.8所示。

利用这套方法，他们测量了一种电子束物理气相沉积的热障涂层（EB－PVD－TBC）的有效Ⅱ型裂纹的界面断裂韧性（或者说Ⅱ型裂纹的扩展阻力）。其界面断裂韧性的计算公式为［38］(www.xing528.com)

式中，σsub和σtbc分别为基体和涂层内的轴向应力；Esub和Etbc分别为基体和涂层的弹性模量；hsub和htbc分别为基体和涂层的厚度。σsub和σtbc的计算式子分别为

图1.8　“鱼钩”拉伸法示意图

式中，wsub和wtbc分别为基体和涂层的宽度。最后得到求解表达式为

他们测得该热障涂层的界面Ⅱ型断裂韧性（临界能量释放率）的值约为70 J／m2。