试验结果与数据分析

在加载过程中，声发射仪记录的开裂事件数与加载时间关系如图4.3所示。

图4.3　声发射仪记录的开裂事件数与加载时间关系

在试验结束后，声发射仪记录的开裂事件数与振幅关系分布如图4.4所示。

图4.3记录了整个试验过程中，试件从损伤、微裂纹的萌生、扩展到宏观裂纹的形成直至裂纹饱和所产生的与声音有关的事件。从图4.3可看出，声发射仪所记录的开裂事件数有以下特征：在0～1 200秒，开裂的事件数较少，试验现场观察到的强信号也很少，在1 200～1 800秒，开裂的事件数最多，出现的强信号也最多；到1 800秒之后，开裂的事件数逐渐减少，出现的强信号也越来越少；到2 200秒之后趋于一个非常平稳的阶段。这表明在1 800秒之后，裂纹逐渐趋于饱和，也即裂纹的数量不再随着拉伸应变的增加而增加。从图4.4可看出，在整个试验过程中，声音振幅达到93 dB的开裂事件数最多，达到270。其次是振幅为55 dB左右的声音信号，通过对声发射信号与试件开裂特征的对应分析，得出55 dB左右的信号对应于微裂纹的扩展。图4.5显示了最大振幅为50 mV信号的波形特征。

图4.4　声发射仪记录的开裂事件数与振幅关系分布

图4.5　最大振幅为50 mV信号的波形特征

由于没有界面开裂现象的发生，因此，可以得出该波形对应于涂层的拉开型开裂，从波形图的放大部分来看，其特征与第2章的图2.3所模拟的波形图是一致的。当连续准静态地加载到2 300秒之后停止加载，此时通过光学显微镜观察铬层的表面与横截面情况，分别如图4.6与图4.7所示。(www.xing528.com)

图4.6　铬层裂纹饱和时表面光学显微照片

图4.7　裂纹饱和后试件横截面光学显微照片

从图4.6可得到，铬层在拉伸载荷的作用下，沿垂直拉伸的方向开裂，裂纹呈现准周期性的特征。裂纹呈现（准）周期性的原因是脆性铬层的断裂应力或应变相对于韧性基体来说较小，因此易于先开裂，对于还粘接在基体上断开的小块铬层，界面剪应力的累积效应使得铬层进一步地开裂，当界面剪应力的累积强度不超过铬层的断裂强度的时候，铬层已不再开裂，也即裂纹达到了饱和状态。从图4.6测量出，裂纹之间的平均间距为167μm，据此也可以求得铬层的平均裂纹密度大约为6条／mm。从图4.7可看出，只有垂直于界面的铬层裂纹，而没有能够观察到界面开裂的情况。虽然铬层裂纹的张开位移最大处可达30μm，但是在整个试件的平行段，界面开裂并未发生。

脆性涂层／韧性基体材料体系在侧向基体拉伸载荷的作用下，开裂的裂纹模式与文献［5］中的模式一样，通常有三种：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拉应力作用导致的界面张开型开裂；第三种是涂层与基体的界面由切应力的作用导致的剪切滑开型界面开裂。本章中的脆性铬层与韧性钢基体在侧向基体拉伸载荷的作用下，在整个试件的平行段都没有出现所谓的后两种模式的界面开裂，这表明，在整个试验过程中，声发射并没有记录到界面开裂的信号，有意义的信号是记录了铬层开裂的信号。在1 200秒与1 800秒这段时间，开裂的事件数最多，表明在这段时间，铬层开裂得比较频繁和迅猛，在试验现场中，可以听到铬层开裂的微弱声音。当在1 800秒之后，已经几乎未能听见铬层开裂的声音，同时从实时采集到的信号来看，也几乎没有大振幅信号的产生。这表明在1 800秒之后，铬层的裂纹密度趋于饱和。而从图4.6与图4.7来看，铬层裂纹达到饱和之后，未能观察到界面开裂。

本章的试验结果与文献［6－8］比较起来，既有相同之处，又有不同之处。相同之处是在涂层裂纹饱和前，涂层均表现出周期性的开裂特征；不同之处是在文献［6－8］中，当涂层裂纹密度临近饱和之时，可清晰地观察到界面开裂、涂层失稳直至剥落这一系列的现象，而本章的试验并未观察到上述现象的发生。这可归结为铬层／钢基体材料对象属于强结合类的脆性涂层／韧性基体材料体系。界面结合太强会易于导致涂层的预先开裂或界面不易开裂，与文献［9－10］中所描绘现象是一致的。

为了获得更加可靠的试验现象和试验结果，试验重复了3次，结果都是类似的。为了证明铬层在1 200秒到1 800秒这一期间开裂频繁与迅猛的事实，本研究工作还选择了一个只有基体材料而没有铬层的试件在同样的试验条件下进行对比，结果表明，当试件被拉伸至紧缩阶段，几乎都没有强信号的产生，而带铬层的试件在1 200秒之前和1 800秒之后也几乎没有强信号的产生，1 200秒到1 800秒这一期间，确实是铬层开裂频繁与迅猛的时间。