镀层在冲击条件下的失效分析

rockston

1 引言

现有的膜基体系力学性能评价的一些方法,如划痕、显微硬度等都是采用静态加载方式,或者如动态结合强度测试通过施加交变载荷使膜基分离[1]。但在实际应用中镀膜工件大都是承受动态载荷,所以有必要引入一种动态加载的测试方法来评价镀层本身或者膜基体系的力学性能,这样才能使实验结果和实际工况更好的对应。O.Knotek等[2]最先提出用多冲的方法来模拟镀层所承受的动态载荷,并且发现在冲击载荷作用下镀层主要表现为内聚力型剥落和结合力型剥落两种形式。用CVD和PVD方法制备的镀层由于内应力的差别在冲击载荷下出现不同的失效形式,其中CVD镀层主要为内聚力型剥落,而PVD镀层主要为结合力型剥落。K.D.Bouzakis等[3]认为在多冲条件下镀层的失效是疲劳失效,并且以根据赫兹应力场所计算的应力作为冲击载荷下镀层内部的应力,从而得到疲劳曲线,最后以疲劳极限图做出对称循环条件下镀层的疲劳极限。这种方法完全忽略了动载中冲击波的作用,其结果未必可靠。R.Bantle等[4]用冲击磨损来考核摩擦学镀层,但是其所用试样基体为低碳钢和AISI304不锈钢,硬度较低,在冲击的过程中由于基体变形大,冲坑内镀层出现裂纹而导致剥落磨损,因而其性能受制于基体,未能充分表现镀层特性。

笔者参考评价整体材料的多冲抗力的小能量多冲试验机的工作原理[5]和国外的相关文献[2],自行研制了一台多冲试验机。该试验机的加载原理是通过电磁激振器的振动使连接在其上的硬质小球冲头垂直冲击试样的表面。这种简化的球2平面加载体系可以模拟很多实际的载荷条件。

上述文献中的工作都没有涉及到冲击失效和镀层的力学性能,如膜基结合强度以及镀层本身的韧性之间的关系。笔者用冲击试验研究了CrN和Cr2CuN镀层在冲击条件下的失效形式及其与膜基结合强度和镀层韧性之间的关系。

2 试验方法及试样制备

多冲试验机的动态冲击载荷是由一个硬质碳化钨球(WC)垂直施加给试样表面的,施加的力与频率可以根据实验要求自行调节,频率选60Hz。多冲试验机的工作原理见图1所示。图2是多冲试验机中激振器内部结构与冲头示意图。