垂直拉伸应力下界面失效模式与机制分析

在第1章里，已经论述了垂直拉伸法（pull－off test）测量涂层体系的界面拉伸强度，其示意图见图1.6或国家标准中规定的两圆柱对接拉伸法。这种测量方法的载荷特点是在涂层的表面施加垂直于界面的拉伸应力作用，其示意图如图9.1所示。

要测量复合体系界面的拉伸强度，其失效的模式将主要取决于以下三个参数：涂层的断裂强度、涂层与基体界面的拉伸强度和胶黏剂的强度。这里的涂层断裂强度也可以指涂层的内聚力强度。

图9.1　垂直于界面拉伸应力作用下测量界面拉伸强度的失效分析

正如第1章所指出的，如果出现了胶黏剂的粘接强度小于涂层与基体的界面拉伸强度，就会导致试验失败。因此采用这种试验方法来测量界面拉伸强度的前提条件是胶黏剂的粘接强度要大于涂层与基体材料的界面拉伸强度。因此可以建立以涂层的断裂强度σC、涂层与基体界面的拉伸强度σI和胶黏剂的强度σJ三者为对象的失效机制图。令σC表示涂层的断裂强度，σI表示涂层与基体界面的拉伸强度，σJ表示胶黏剂的强度。则σC、σI、σJ之间存在以下的内在失效机制关系。

（1）当σC＞σI，且σC＞σJ时，其失效机制图如图9.2所示。

图9.2　基于σC＞σI，且σC＞σJ的失效机制图

在图9.2中，以斜率为1的直线为分界线，在直线右下半部分的Ⅰ区有σJ＞σI，即胶黏剂的强度大于界面的拉伸强度，此区域为界面失效区。在直线左上半部分的Ⅱ区有σI＞σJ，即界面的拉伸强度大于胶黏剂的强度，此区域为胶黏剂失效区。

（2）当σJ＞σC，且σJ＞σI时，其失效机制图如图9.3所示。

在图9.3中，以斜率为1的直线为分界线，在直线右下半部分的Ⅰ区有σI＞σC，即界面的拉伸强度大于涂层的断裂强度，此区域为涂层失效区。在直线左上半部分的Ⅱ区有σC＞σI，即涂层的断裂强度大于界面的拉伸强度，此区域为界面失效区。

图9.3　基于σJ＞σC，且σJ＞σI的失效机制图(www.xing528.com)

（3）当σI＞σC，且σI＞σJ时，其失效机制图如图9.4所示。

图9.4中对应的情形为界面的拉伸强度大于涂层的断裂强度和胶黏剂的强度（强界面结合的情形），以斜率为1的直线为分界线，在直线右下半部分的Ⅰ区有σJ＞σC，即胶黏剂的强度大于涂层的断裂强度，此区域为涂层失效区。在直线左上半部分的Ⅱ区有σC＞σJ，即涂层的断裂强度大于胶黏剂的强度，此区域为胶黏剂失效区。

图9.4　基于σI＞σC，且σI＞σJ的失效机制图

除了以上这些失效机制外，还可能出现这样的情形，即由涂层材料的非均质性或界面结合强度的非均匀性而导致在测量过程中出现部分涂层材料粘接在基体上。比如Yılmaz等［1］在测量Al2O3等离子喷涂涂层在钢基体上的界面拉伸强度时，就有残留的Al2O3涂层还粘接在基体上，如图9.5所示。

图9.5　垂直拉伸法测量等离子喷涂涂层A l2O3导致的失效图

（a）Al2O3与基体之间无中间粘接层（bond coat）；（b）Al2O3与基体之间有中间粘接层［1］

从图9.5可看出，（a）图试验表明，试件被拉断后，还有一部分涂层粘接在基体上，此时采用拉断时的载荷除以粘接处的横截面面积来计算界面拉伸强度，就会出现很大的误差；（b）图为带有中间粘接层的试件，被拉断后，在横截面上还保留了部分涂层和中间粘接层，而暴露出来的基体部分却很少。这种类似的情形还出现在文献［2－3］中。

从以上分析可得到，垂直拉伸方法在测量涂层与基体的界面拉伸强度时，会出现以下的开裂情形：①涂层内；②胶黏剂内；③涂层与基体的界面上；④以上三种或其中的两种情形同时存在。出现这些情形的根本原因在于三者之间强度的“较量”（in competition）。这里顺便说明一下，采用垂直拉伸法测量涂层与基体的界面拉伸强度，也同样存在着基体先失效的情形，但是在一般情形下，胶黏剂的强度不会超过基体的屈服强度和（或）断裂强度，如Qi等［4］认为这种方法能够测量出来的界面拉伸强度不会超过90 MPa，一般情形下，基体的屈服强度和（或）断裂强度远大于这一值，因此，这里不讨论基体失效的情形。