涂层/基体材料界面断裂行为研究中残余应力影响的探讨

基体表面的涂层（薄膜）材料发挥着重要的功能，如耐热、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等［1］。工程实际中的多数涂层／基体材料，涂层的寿命很大程度上决定了整个零部件或设备的寿命，而涂层／基体材料的典型失效模式是涂层与基体的界面开裂（或脱层）［2－3］。因此，涂层与基体的界面开裂行为研究具有重要的理论价值与实践意义。

若不考虑导致涂层与基体材料界面开裂的外界因素，如载荷条件和环境因素（高温、腐蚀、疲劳、摩擦磨损等）；抵抗涂层与基体间界面开裂的材料关键本征参数（或内因）是涂层与基体间的界面结合性能［2－3］，而涂层／基体材料的界面断裂行为分析是研究涂层／基体界面结合性能的基础。涂层与基体材料的界面结合性能研究中，四点弯曲法仍然是目前经常采用的方法之一［2］。而且关于涂层／基体材料的界面断裂行为研究也取得了不少成果［4－7］，但这些研究成果多数情形下都没有考虑残余应力对界面断裂行为的影响。

在涂层材料的制备、前后热处理工艺或服役过程中，涂层与基体材料间存在晶格失配或热膨胀系数差异等原因，会导致界面不稳定；其表现形式为温度变化或外界载荷的作用导致涂层与基体之间的应变失配，这种失配会引起涂层内高达几十至几百兆帕的残余应力［8－10］，甚至会达到GPa的量级［8－10］。这种量级的残余应力会导致薄膜产生严重的弯曲变形以致脆断失效；对涂层材料的界面断裂行为的影响也十分明显［5］。(www.xing528.com)

本章在考虑残余应力作用效应的基础上，采用ANSYS有限元计算方法，研究了在四点弯曲载荷作用下，残余应力与弹性模量比对涂层／基体材料界面能量释放率（裂纹扩展驱动力）及其相角的影响。