侧向载荷与位移曲线揭示涂层界面结合性能

Zhang等［2－3］在采用侧面基体压入法测量热喷涂类涂层／韧性基体材料体系的界面强度指标时，发现压入过程中的侧向力对界面开裂的现象非常敏感，只要有界面开裂现象的发生，就会从侧向力与压入时间曲线的斜率突变反映出来。因此，利用这一非常重要的特性，从理论上提出了可以利用侧向载荷与相应的侧向位移曲线的变化规律，从能量学的角度定量化地表征界面结合性能。

其实，Li等［5－6］利用压入过程中载荷与位移曲线的关系，从能量学的角度研究了涂层的断裂韧性，其原理为涂层发生了开裂和没有发生开裂的能量差值被认为是涂层的能量释放量，这一能量差值可以从载荷与位移曲线图上得到。有关能量法研究涂层断裂韧性的详细描述及求解公式可参阅第1章。

另外，还可以从压入载荷与位移（深度）的曲线和卸载曲线中获得塑性变形所吸收的能量，其示意图如图5.10所示。

图5.10　压入过程中压入载荷与压入深度关系示意图(www.xing528.com)

在图5.10中，纵坐标表示压入载荷的大小FP，横坐标表示压入深度（位移）δ，曲线OA为加载曲线，曲线AB为卸载曲线，曲线OA、AE与OE围成的面积SOAE的大小在数值上等于压入过程中的压入载荷FP所做的功，曲线AB、AE与BE围成的面积SABE的大小在数值上等于在卸载过程中所释放的弹性能，曲线OA、AB与OB围成的面积SOAB的大小则表示不可回复的塑性变形所耗散的功。那么，根据压入过程中的这些特征，在侧面基体压入法中可以获得相关的性能。

在压入的过程中，导致最先开裂的情形有两种：一种情形是界面先开裂，另一种情形是涂层先开裂、界面后开裂。至于出现哪一种情形取决于许多因素，如界面结合性能的强弱、压头的形状、压头中心离界面的距离、加载的速率、涂层／基体材料的弹塑性性能。其中很重要的因素就是界面结合性能的强弱，界面结合性能越强，涂层就越容易先开裂［7－8］。