[发明专利]测量涂层断裂韧性的方法和装置

说明书

提供了一种测量涂层断裂韧性的方法和装置，所述方法包括：准备至少两个彼此相同的基底，并将至少一个基底用作无涂层的标准试样；在其余基底上形成待测涂层以获得待测试样；以相同的预定拉伸速率对标准试样和待测试样执行相同的拉伸加载以获得与标准试样对应的第一载荷位移曲线和与待测试样对应的第二载荷位移曲线；基于第一载荷位移曲线和第二载荷位移曲线获得所述待测涂层的断裂能量；以及基于所述断裂能量计算所述待测涂层的断裂韧性，其中，选择所述基底的材料，使得所述待测涂层的断裂韧性小于所述基底的断裂韧性。

技术领域

本发明涉及一种测量涂层断裂韧性的方法和装置，特别地，涉及一种基于能量的硬质涂层断裂韧性测量方法和装置。

背景技术

硬质涂层涂敷是非常常见的表面防护技术。硬度越高，涂层耐磨性越好。但是伴随着硬度，涂层的断裂韧性往往会下降，也就是脆性高。断裂韧性是阻碍裂纹扩展的能力，涂层韧性低，不但容易使涂层自身失效，甚至还会损伤基底，因此断裂韧性的测定十分重要。但是对于涂层的断裂韧性，目前尚未存在一种非常完善、理想的方法。

对于涂层断裂韧性的测量，目前工业上常见的手段是使用纳米压痕技术，纳米压痕简单快速，但是其仍存在两个缺点：一、由于压痕法的断裂韧性计算模型的依据为半经验公式，而且其最早仅适用于块体材料的断裂韧性测量，因此其在涂层断裂韧性测量的准确度上难有保证；二、纳米压痕存在一个裂纹阈值，即，向涂层表面施加的载荷没有超过裂纹阈值时不会形成裂纹，若未形成裂纹则其测量值无法表征所述涂层的断裂韧性。另一方面，纳米压痕的载荷不能过大，一旦过大，其测量值将包括所述涂层和基底共同的力学响(例如，测得了基底的断裂韧性而非涂层的断裂韧性)。因此压痕法的局限性在当前表面涂层越来越薄的趋势下表现得越来越大。

除了压痕法，还有其他常见得断裂韧性测量方法，比如单轴拉伸以及弯曲法。但是这些方法均存在各种缺陷，例如，上述方法均是基于传统的块体材料断裂韧性测量标准而改进的，因此它们对样品的形状尺寸有要求，常见的包括裂纹预制以及制备出单独的未附着到基底的薄膜。但是这些对于薄膜和/或涂层(特别地，硬质涂层)来讲都非常难以实现。例如，涂层(硬质涂层)相对较脆，一旦形成裂纹就很容易发生扩展，造成涂层的直接断裂。其次是夹持问题，对于没有基底的涂层，在夹持和加载过程中非常容易造成夹持端和主体部分的断裂分离。即使可以保留基底直接拉伸，基底对涂层断裂韧性的影响是难以计算的，另一方面，直接拉伸有基底的试样也没有很好地方案将基底的影响排除出去，导致测量结果不准。在现有技术中，传统方法一般要求测量涂层发生开裂的临界应变或者临界应力，这是断裂韧性测量的关键要素。然而，临界应变或者临界应力在基底的影响下具有较大波动，临界应变或者临界应力的波动性一是来源于实验时的夹具固定不稳以及中心轴的对齐偏移，二是来源于对于“临界”时刻的判断比较困难，往往需要原位观察或者其他设备辅助才能做到，三是来源于影响应力测量的其它因素。因此难以确保在相同的实验条件下对涂层的临界应力或者临界应变进行测量，从而难以获得准确的断裂韧性。

发明内容

本发明目的在于一种测量涂层断裂韧性的方法和装置，特别地，涉及一种基于能量的硬质涂层断裂韧性测量方法和装置。

本发明提供了一种测量涂层断裂韧性的方法，所述方法包括：准备至少两个彼此相同的基底，并将至少一个基底用作无涂层的标准试样；在其余基底上形成待测涂层以获得待测试样；以相同的预定拉伸速率对标准试样和待测试样执行相同的拉伸加载以获得与标准试样对应的第一载荷位移曲线和与待测试样对应的第二载荷位移曲线；基于第一载荷位移曲线和第二载荷位移曲线获得所述待测涂层的断裂能量；以及基于断裂能量计算所述待测涂层的断裂韧性，其中，选择所述基底的材料，使得所述待测涂层的断裂韧性小于所述基底的断裂韧性。

在根据发明构思的实施例中，所述方法还可以包括：测量所述待测涂层的杨氏模量；以及测量拉伸后的待测试样的裂纹属性。

在根据发明构思的实施例中，在所述基于断裂能量计算所述待测涂层的断裂韧性的步骤中，可以根据下式计算所述断裂韧性：