| 镀层在冲击条件下的失效分析 文胜平,米彦郁,于历军,朱晓东,何家文 (西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安710049) 摘 要：采用自行研制的冲击试验机对镀层在冲击载荷作用下的失效进行了研究。结果表明,由于镀层本身韧性和膜基结合强度的差别,镀层的失效表现为两种不同的剥落形式。韧性较低而结合强度较高时为内聚力型剥落,膜基结合强度较低而韧性较高时为结合力型剥落。 关键词：冲击;内聚力型剥落;结合力型剥落 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。  图1 多冲试验机工作原理  图2 多冲试验机中加载部分示意图 实验过程中改变载荷(400N,300N,200N,100N),得到载荷P与冲击周次N之间的P2N曲线,定义破坏的临界周次为200倍光学显微镜下观察到剥落面积约5mm2所对应的最大冲击周次。 试样为离子束辅助沉积(IBAD)制备的CrN和CrCuN膜,试样制备过程中采用磁控溅射沉积铬,离子束溅射沉积铜,同时用低能氮离子辅助轰击。基体材料选用抛光的GCr15钢,硬度为61～63HRC。表1为实验制备的试样编号及其工艺参数和膜厚。 结合强度采用WS22000型自动划痕实验机连续压入临界载荷Lc值。断裂韧性采用压入法所测的断裂韧性KIc值,维氏压头,载荷200g,保载时间10s。 表1 工艺参数及膜厚  3 试验结果及分析 3.1 镀层在冲击条件下的破坏形式 冲击条件下镀层破坏的典型形式主要为两类[2],一类为在冲坑边缘部分以膜基分离形式出现的结合力型剥落,如图3和图4所示;另一类为在冲坑中央部分以镀层内部的分层剥落形式出现的内聚力型剥落,并伴随有大量的裂纹产生,如图5和图6所示。从剥落区域能谱(EDX)分析可以判断剥落是发生在膜基界面处还是在膜层的内部,图7为结合力型剥落区能谱分析结果,表明主要成分是铁,显然剥落发生在膜基界面处。图8为内聚力型剥落区能谱分析结果,表明主要成分是铬,剥落是发生在膜层内部。  图3 试样1在200N冲击载荷下的破坏形貌  图4 试样4在100N冲击载荷下的破坏形貌  图5 试样2在400N冲击载荷下的破坏形貌  图6 图5中A区的局部放大  图7 图3中A区的能谱  图8 图6中B区的能谱 试样1和试样4在高载荷的时候都产生内聚力型破坏,而在低载荷的情况下出现结合力型破坏;试样2和试样3在实验所用的载荷下都是内聚力型的破坏。 3.2 P2N曲线 图9为不同试样的载荷2冲击周次(P2N)曲线,从中可以发现试样1和试样4由两段不同趋势的曲线组成,明显不同于试样2和试样3,由上述的失效分析可以证明试样1和试样4在高载荷和低载荷冲击条件下对应不同的破坏机制。随着冲击能量的不同,破坏机制发生变化是材料强度研究中经常发生的,镀层冲击破坏机制变化的试验结果在文献[3,4]中也有报道。试样1和试样4在高载荷和低载荷对应不同的破坏机理,所以发生P2N曲线的变化;而试样2和试样3在所有载荷下都为内聚力型的破坏。试样1在300N以上破坏的临界周次比试样2要高,但是在200N以下反而变低了;试样3和试样4在300N以上临界周次基本上差不多,但是在 200N以下试样4比试样3的临界周次要低。  图9 不同试样的P2N曲线 3.3 多冲抗力与镀层力学性能之间的关系 如按Hertz应力分析,在静载荷条件下膜基界面处的最大切应力在压痕的边缘处[6],也即在这个部位最易产生膜基分离形式的剥落。但是在冲击过程中,由于有应力波的作用[7],所以不能完全根据Hertz应力场来计算镀层内的应力,镀层的韧性对冲击的影响比较敏感。在冲坑的中间部分,冲击的影响最大,而边缘部分冲击的影响要小一些。冲击力越大,冲击的影响也更加明显。镀层韧性较差而结合强度相对较高的时候,在高载荷冲击下,首先在冲坑的中间部分镀层内部萌生裂纹,并最终导致以膜内的分层剥落形式的内聚力型剥落。而在冲击力比较小的时候,冲击的影响不是很显著,如果镀层的韧性相对较高,而结合强度不是很高的时候,界面处切应力引起的膜基分离的结合力型剥落就能够表现出来。如表2所示,试样1断裂韧性最高,但是其结合强度相对较低,所以其在高载荷下为内聚力型剥落,而在低载荷下为结合力型剥落。试样4的断裂韧性虽然不是很高,但是其结合强度是最差的,所以同样在低载荷的时候表现出结合力型剥落。试样2和试样3的断裂韧性都较低,结合强度都较高,所以在所有的载荷下都表现为内聚力型剥落。 表2 结合强度和断裂韧性 
由上述分析可知,膜基体系的多冲抗力取决于镀层本身的韧性和膜基结合强度两个因素,一定载荷条件下具体的失效形式是内聚力型剥落和结合力型剥落相互竞争的结果,膜基体系总是在最薄弱的地方破坏。所以结合P2N曲线和失效形式分析就能够比较不同镀层的韧性或膜基结合强度。当不同试样都是以内聚力方式破坏时,可以根据临界冲击周次来比较镀层的韧性,实验所用的4个试样在300N以上载荷都是内聚力型破坏,从P2N曲线上可以看出韧性从高到低分别为试样1、试样2、试样3和试样4,其中试样3和试样4区别不大。而如果试样是以结合力型方式破坏时,也可以根据临界周次来比较膜基结合强度,试样1和试样4在200N以下载荷为结合力型破坏,由P2N曲线可推断试样1的结合强度比试样4要高;试样2和试样3在200N以下没有发生结合力型破坏,所以其结合强度相对试样1和试样4要高。 冲击试验所得的结果能够用来指导膜基体系的设计,IBAD制备的薄膜由于结合强度较高,所以在冲击条件下其失效主要以内聚力型剥落为主。为了提高镀膜工件的使用寿命,提高镀层的韧性是非常重要的。铜的加入能够提高CrN镀层的韧性,从而大幅度提高冲击寿命。氮含量的增加却使脆性增加,冲击寿命下降。另外在其它工艺条件相同的情况下铜的加入会减弱界面的结合。如图9所示,试样1在200N以下出现结合力型剥落,冲击寿命比试样2还要低。所以必须通过冲击试验找到最合适的工艺参数,使得镀层既有较高的韧性,同时对界面的影响不大,从而使膜基体系有最佳的冲击抗力。 4 结论 (1)冲击载荷条件下,镀层的失效取决于两个因素--镀层本身的韧性和膜基结合强度。当低韧性、结合强度较高时容易发生内聚力型的剥落;结合强度较低,韧性较高时容易发生结合力型的剥落。高载荷时由于冲击作用较强,所以更容易出现内聚力型剥落,反之低载荷的时候更容易出现结合力型剥落。 (2)内聚力型剥落对应的临界周次能够反应镀层的韧性高低,结合力型剥落对应的临界周次则反应了膜基结合强度。 (3)通过冲击试验寻找最合适的工艺参数,使得膜基体系有最佳的冲击抗力。 |
