三向应力状态下的失效模式与机制分析

前面是复合体系处于二向应力状态下的失效模式与机制分析，在实际测量复合体系的力学性能中，有些方法导致的复合体系的应力状态十分复杂，如压入法、划痕法等。这些方法通常使复合体系处于空间应力状态。对于涂层／界面／基体处于空间应力状态的情形，失效模式比二向应力状态复杂。空间应力状态导致的三个主应力皆不等于零。其失效模式将同样取决于涂层与基体的力学性能和界面结合性能。可以仿照二向应力状态下的失效分析，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最先超过界面的拉伸强度，则界面最先被拉断；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（如界面结合性能很弱的情形），则界面最先被剪开，其示意图见图9.13。

（2）如果脆性涂层内所受到的三个主应力中最大主拉应力的大小最先超过涂层的内聚力拉伸强度，则涂层最先被拉断，其示意图如图9.16所示。

（3）如果基体内所受到的三个主应力中最大主拉应力的大小最先超过基体的内聚力拉伸强度，则基体最先破坏，其示意图如图9.17所示。

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。

图9.16　涂层先开裂示意图

图9.17　基体先开裂示意图

（1）如果界面上所受到的最大拉应力最先超过界面的拉伸强度，则界面最先被破坏；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三个主应力中最大主拉应力的大小最先超过涂层的内聚力拉伸强度，则涂层最先被拉断，见图9.16。

（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，则基体最先屈服（出现滑移线）或发生断裂破坏，见图9.17（只画了断裂情形）。(www.xing528.com)

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，此时的失效模式通常也有三种情形。

（1）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；如果界面上所受到的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），则界面最先被拉断，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，见图9.16（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9.17。

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。

有一种特殊情形值得说明一下，即如果涂层或基体所受到的三个主拉应力值相等或相近，可以不考虑涂层或基体的韧、脆性特征，它们均表现出被拉断的失效模式；如果涂层或基体所受到的三个主压应力值相等或相近，同样可以不考虑涂层或基体的韧、脆性特征，它们均表现出屈服的失效模式。

对于空间应力状态，同样有采用有限元和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，其表达式为

式中，σxz、σyz为界面的切应力；σzz为界面的正应力；ZS、ZN为界面的剪切强度和拉伸强度。这种失效分析与二向应力状态相类似，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不适应。

以上情形是基于应力的观点测量界面强度指标时所表现出来的不同失效模式与机制分析。归纳起来，涂层／界面／基体复合体系存在涂层开裂、界面开裂、基体开裂三种基本的失效模式，除了这些基本的失效模式外，当然也存在其中的两者同时失效或三者同时失效或三者按先后顺序发生失效的情形，在此不再赘述。