划痕法测量涂层界面结合性能的方法及问题

前面介绍的几类方法的理论基础都比较简单，下面介绍另一种方法：划痕法（scratch test）。划痕法［53－81］是目前使用十分广泛的一种半定量［53］的测量硬质薄膜／基体界面结合性能的方法。该方法是将一根小曲率半径、圆锥形端头的金刚石类硬质材料针，立在涂层表面，不断地施加法向载荷Fn与切向载荷Fτ，并同时使划针沿着涂层表面进行刻划，通过划伤涂层来测量涂层材料的界面结合性能，其示意图如图1.15所示。Bull和Berasetegui［53］指出，该方法不能测量涂层厚度大于50μm的界面结合性能，因为该方法在涂层破裂前不可能产生足够大的界面应力场使得界面开裂，而冯爱新等［54］指出这种方法主要适用于厚度在7μm以下的硬质薄膜，如TiN、TiC等。由于这种方法对试样的制作不需要严格的规范，操作起来十分方便，因此得到广泛的应用。同时，这种方法常常配备声发射装置来检测界面的开裂与否。Benjamin和Weaver［55］早期试图采用划痕法来测量界面结合强度，并给出了计算涂层与基体界面剪切强度的表达式

式中，R为划针头的半径；A为划针头与涂层的接触半径，A＝（FC/πH）1/2；FC为临界载荷；H为基体的硬度；k是无量纲常数，取值范围在0.1～0.2之间。这一公式表明，随着基体硬度的增加，界面的剪切强度也是增加的。由于得出这一公式是采用了完全塑性变形的理论模型，因此这一公式的适用范围非常有限。

图1.15　划痕法示意图

在划痕法中，常常采用界面开裂瞬时所对应的临界载荷指标来表征涂层与基体的界面结合性能。例如Benjamin和Weaver［55］得到了最小的临界载荷导致涂层剥落时与实际界面结合功的关系

式中，FPcr为最小的临界载荷；r为划针与涂层的接触半径；h为涂层的厚度；WA，P为实际的界面结合功。这一分析仅适合于拉伸应力垂直于涂层表面的时候。在以后的发展中，Deboer等［57－58］提出了一个新的划痕法模型，其示意图如图1.16所示。由于这一划痕实验在开始时预制了裂纹，所以被称为预制裂纹线划痕实验（pre－cracked line scratch test，PLST），他们预制裂纹的方法是在薄膜与基体之间叠放一碳层（carbon layer）。这一模型得到薄膜在临界失稳点时的能量释放率的表达式为

式中，σ为涂层的断裂应力；b为薄膜的宽度；Pcr为涂层失稳时的临界载荷；Pfric为摩擦载荷。这一划痕实验得到的临界失稳的相角（phase angle）为52.7°。该划痕实验主要适合于硬质类薄膜材料，即在失稳前，涂层发生的塑性变形很小。

图1.16　预制裂纹线划痕实验示意图

目前，划痕法中最多的还是采用界面开裂瞬时所对应的临界载荷指标来表征涂层与基体的界面结合性能。这一指标虽然能在一定程度上反映界面结合性能，但也未必就全部反映了界面结合性能，这种方法受到许多外在因素与内在因素的影响［56］。第一，这种方法单凭涂层在基体上剥离瞬时所对应的法向临界载荷作为半定量的表征与评价界面结合强度不是十分的科学，因为临界载荷是力的概念，国际单位是牛顿（N），不是反映强度的应力指标概念，正如Zhang等［59］所指出的划痕法中的临界载荷不是涂层的断裂韧性一样，临界载荷也不是强度指标。第二，临界载荷指标未能反映涂层与基体材料的力学、几何等参数对临界载荷的影响，因此，这里的临界载荷只能说是部分地反映了界面结合性能。第三，如果它是依靠声发射技术或者在划痕时产生的载荷－位移曲线的突变来判断界面是否开裂也缺乏可靠性，因为声发射仪器对声音信号特别敏感，有时声发射捕捉到的强信号未必就是涂层与基体界面开裂的信号，涂层本身的开裂也可以产生强烈的信号；依靠划痕时产生的载荷－位移曲线的突变来判断涂层与基体界面开裂也是存在不足的，因为实际材料存在缺陷，如微孔洞、微裂纹等，偶尔的曲线突变并不一定就是界面开裂。第四，划痕法几乎不能排除非界面产生的结果，即划痕法得到的所谓临界载荷不一定就是界面剥离时所对应的法向载荷，很难控制划针的位置恰好在界面上，划针的位置可能会在涂层内或在基体内或在界面的附近，这就给划痕法评价涂层材料的界面结合强度带来了不确定性。最后，所得到的临界载荷与加载速度、划痕速度、划头的半径、划针头的摩擦磨损和涂层内的残余应力等因素都有关。

从实验结果来看，划痕法导致涂层失效模式多种多样［60－62］，同一时刻可能存在多种失效模式，有拉伸、剪切、失稳、剥落等模式，给理论分析带来了很大的难度。通过划痕法来表征和评价涂层材料的界面结合性能，很重要的一点就是要知道界面与涂层内的应力分布情况，但由于被测结构的特殊性、复杂的载荷情况、划头与材料间的摩擦磨损、划头的几何形状和尺寸、涂层和基体材料的弹性性能和塑性性能等，所有的这些因素将会使划痕法成为一个高度复杂的非线性问题，目前还未见有关划痕法比较成熟的理论建模与分析的报道，这也向力学科技工作者提出了极大的挑战。因此，采用划痕法测量涂层材料的界面结合性能，还有许多的工作值得去深入研究。(www.xing528.com)

上面讨论了划痕法测量和表征涂层与基体间的界面结合性能，下面讨论采用划痕法测量涂层体系中的涂层断裂韧性。在采用划痕法测量涂层断裂韧性时，通常也是采用临界载荷指标表征涂层的断裂韧性，而Zhang等［59］指出，划痕法中的临界载荷不是断裂韧性，因此采用临界载荷指标表征涂层的断裂韧性也只能是一种定性的表征方法。Hoehn等［82］对划痕法建立了一个力学模型，如图1.17所示。

图1.17　微划痕实验示意图［82］

通过此模型，导出了Ⅰ型裂纹的断裂韧性表达式［82］

式中，P为导致开裂的压力；R为圆锥形压头进入沟槽（groove）内的半径；2a为整个裂纹的长度；θ为圆锥形压头的圆锥角；fg为圆锥形压头在划动过程中与它接触部位的摩擦系数。Holmberg等［83］通过研究划痕法中的拉伸应力在导致涂层剥落中的作用，导出了一个求解涂层断裂韧性的表达式［83］

式中，σ为导致薄膜开裂的拉伸应力，可通过一个三维的有限元分析而得到；a为裂纹的长度，b为裂纹的张开位移，且有a≫b；f（a，b）为一无量纲函数，取决于裂纹长度a和裂纹张开位移b。其中裂纹长度a和裂纹张开位移b可以从划痕的路径中测量得到，如图1.18所示。

图1.18　划痕实验示意图［83］

上面介绍的两种方法都存在不足，与测量界面结合性能中的不足之处一样，即划痕法导致的应力状态十分复杂且失效模式多种多样。还有，这两种方法中的模型都过于简化，实际应用起来会十分困难，或者得到的结果未能真实地反映复合体系的力学性能。