二向应力状态下的失效分析与机制

前面介绍的涂层／界面／基体复合体系所处的应力状态是最简单的，即材料力学中所描绘的单向拉伸应力状态和纯切应力状态。在这一部分，讨论复合体系处在二向应力状态（平面应力状态）下的失效分析。那么涂层体系的失效模式同样取决于涂层与基体材料的弹性性能与塑性性能。其分以下四种情形。

第一种情形：当涂层与基体材料均为脆性材料时，复合体系的失效模式将取决于涂层的拉伸强度、界面的强度和基体的拉伸强度，此时的失效模式通常也有三种情形。

（1）如果界面上所受到的最大拉应力大小最先超过界面的拉伸强度（如界面结合性能很弱的情形），则界面最先被拉开；如果界面上所受到的切应力大小最先超过界面的剪切强度，则界面最先被剪开，如图9.13所示。

图9.13　界面先开裂示意图

（2）如果涂层内所受到的最大主拉应力的大小最先超过涂层的内聚力拉伸强度（如界面结合性能很强的情形），则涂层最先被拉断，其示意图如图9.14所示。

图9.14　涂层先开裂示意图

（3）如果基体内所受到的最大主拉应力的大小最先超过基体的内聚力拉伸强度（如界面结合性能很强的情形），则基体最先被破坏，其示意图如图9.15所示。

图9.15　基体先开裂示意图

第二种情形：当涂层为脆性材料，而基体为韧性材料时，复合体系的失效模式将取决于涂层的拉伸强度、界面的强度和基体的剪切屈服强度或断裂强度，此时的失效模式通常也有三种情形。

（1）如果界面上所受到的最大拉应力大小最先超过界面的拉伸强度（如界面结合性能很弱的情形），则界面最先被拉开；如果界面上所受到的切应力大小最先超过界面的剪切强度，则界面最先被剪开，见图9.13。(www.xing528.com)

（2）如果涂层内所受到的最大主拉应力的大小最先超过涂层的内聚力拉伸强度（如基体的内聚力拉伸强度和界面结合性能很强的情形），则涂层最先被拉断，见图9.14。

（3）如果基体内所受到的最大切应力最先超过基体的剪切屈服强度或断裂强度（如涂层的内聚力拉伸强度和界面结合性能均很强的情形），则基体最先屈服（出现滑移线）或发生断裂破坏，见图9.15（只画了断裂情形）。

第三种情形：当涂层为韧性材料，而基体为脆性材料时，复合体系的失效模式将取决于涂层的剪切屈服强度或断裂强度、界面的强度和基体的断裂强度，此时的失效模式也通常有三种情形。

（1）如果界面上所受到的最大拉应力大小最先超过界面的拉伸强度（如界面结合性能很弱的情形），则界面最先被拉开；如果界面上所受到的切应力大小最先超过界面的剪切强度，则界面最先被剪开，见图9.13。

（2）如果涂层内所受到的最大切应力最先超过涂层的剪切屈服强度或断裂强度（如界面结合性能很强的情形），则涂层最先屈服（出现滑移线）或发生断裂破坏，如图9.14所示（只画了断裂情形）。

（3）如果基体内所受到的最大主应力大小最先超过基体的内聚力拉伸强度（如界面结合性能很强的情形），则基体最先被破坏，见图9.15。

第四种情形：当涂层和基体均为韧性材料时，在线弹性范围内可以采用脆性涂层／脆性基体的失效模式分析。如果涂层和基体发生了较大的塑性变形，界面开裂在极端载荷情形下才发生或不发生的话，则涂层／界面／基体的力学性能将不容易得到。

对于涂层／界面／基体复合体系，在处于平面应力的状态的情形下，除了按照传统的最大拉应力理论和最大切应力理论来评价涂层／界面／基体复合体系的失效行为和模式外，还有采用有限元与Brewer和Lagace［6］提出的二次脱层准则来计算界面的拉伸强度和剪切强度。二次脱层准则常被用于复合材料的脱层分析［7－9］，其表达式为

式中，σxy为界面上的切应力；σyy为界面上的正应力；ZN、ZS为界面的拉伸强度和剪切强度。满足式（9.1）的界面切应力、正应力即为界面的剪切强度和拉伸强度。这种失效只是用来判断界面是否开裂，而对于涂层和基体的失效行为并未考虑进去。