划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度
压痕法测定薄膜(涂层)的界面结合强度
收稿 日期 ：ｏ ｌ ｌ。 ； 订日期 ：０ １０－７ ２ ｏ＿ ＿２修 。 ２０— ０ ３ 基金珥 目： 国家 自 然科学基金 资助项 目（９ ７ ０ ０ ５ ９ １３ ） 作者简介 ： 李河清 （９ ２ ） 男， １ ７ － ． 上海交通大学博士生 ． 导师： 瑚教授 蔡
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第 ２ 卷第 ４ ６ 期 ２０ ０ ２年 ４月
机
械
工
程
材
料 Ｖｏ ２ Ｎｏ ４Fra bibliotekＬ ６ ． Ａｐ ． ２ ０ ｒ ０ ２
Ｍ ａ ｅ ｉｌ ｆ ｒ Ｍ ｅ ｈ ｎｃ ｌ Ｅｎ ｉｅ ｒ ｇ ｔｒａｓ ｏ ｃａ ｉ ａ ｇｎ ｅ ｉ ｎ
ｔｂｉｈ ｄ ｆｒｄ ｔ ｒ ｉａ ｉｎｏ ｈ ｎ ｅｒｃａ ｏ ｄｎ ｓｒｎ ｈｏ ｈｎ ｆｌ ｎ ｏ ｔｎ ｓｕ ｉ ｎ ｅ ｔｔ ｎｍｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｅ ｏ ｅｅｍ ｎ ｔｏ ｆｔ ｅｉ ｔｒａ ｉｌｂ ｎ ｉ ｓ ｇ ｔｅ ｇｔ ｆｔ ｉ ｉ ｍｓａ ｄ ｃ ａｉ ｓｎ ｉｄ ｎａ ｏ ｔｏ ． ｇ ｇ ｉ Ｗ ｈ ｔｉ ｍｏ ｅ ｏｎ ｅ ｖｅ ｏ ｎｓａ ｏ ｔｈ ｗ ｏｅ ｌａｅｔｅｉｔｒａ ｉｌ ｏ ｄ ｎ ｔｅ ｔ ｆｔ ｉ ｉ ｎ ｏ ｔ ｓ ａ ｒ ，ｓ ｌｅｎ ｗ ｉ ｓ ｗｐ ｉｔ ｂ ｕ ｏ ｔ ｖ ｕ ｔ ｈ ｎｅ ｒｃａ ｎ ｉ ｓｒ ｎ ｈｏ ｈ ｆｌ ａ ｄｃ ａｉ ａ ｂ ｇ ｇ ｎ ｍｓ ｇ ｎ ｕ ｉｇｉｄ ｎａ ｉｎｍｅ ｈ ｄ ａｅｐ ｅ ｅ ｔｄ ｓ ｅ ｔｔ ｔｏ ｒ ｒｓ ｎ ｅ． ｎ ｎ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈｓｐ ｐ ｒｄｓｕ ｓ ｄ ｔｅａ ｖ ｎ ａ ｅ ｎ ｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｂ ｔ ａｎ ｄ ｌ ｎ ａ ｓｍｏ ｅ 一 ｉ ａ ｅ ｉｃ ｓ ｅ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓａ ｄｄｓｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｏ ｈＣｈ ｇ ｍｏ ｅ ｄＥｖ ｄ ｌ ａ ｎ
纳米压痕划痕技术在表征薄膜涂层体系力学性能中应用共27页文档
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
纳米压痕划痕技术在表征薄膜涂层体系力 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。 学性能中应用
用划痕法测定TiN涂层结合力的影响因素
文章编号:1008-5483(2001D02-0025-03用划痕法测定TiN涂层结合力的影响因素胡树兵1929朱晓青39李志章49崔山昆2(1.湖北汽车工业学院材料工程系9湖北十堰442002; 2.华中科技大学材料科学与工程学院9湖北武汉430074;3.东风汽车公司9湖北十堰442002;4.浙江大学材料科学与工程系9浙江杭州310027D摘要:研究了影响划痕法测定TiN涂层结合力的因素9结果表明:离子氮化处理能提高TiN涂层的临界载荷0随基体硬度提高和涂层厚度增加9TiN涂层的临界载荷Lc增高0而表面粗糙度增大9则临界载荷降低9当粗糙度大于0.70pm(Ra D时9则临界载荷无法得到确定值0以M2钢为基体的TiN涂层的结合力高于以3Cr2W8V为基体的TiN涂层的结合力0关键词:划痕法;TiN涂层;临界载荷;基体硬度;粗糙度中图分类号:TB43文献标识码:A涂层与基体间的界面结合力是涂层最为重要的性能之一[1~3]0对涂层结合强度的测定和评价又是一个关键问题0一般认为对硬的~粘附性好的涂层如抗磨PVD TiN涂层适用测定结合力的方法只有划痕法~压入法和激光冲击法[495]0而划痕试验法是到目前为止应用最广泛的~能够有效测定涂层与基体结合性能的一种方法9其定量精度高~重复性好~监测手段有多种形式9并已有商品化仪器9是目前较为成熟的试验方法0由于划痕法测定的临界载荷Lc和涂层与基体的界面剪切强度和附着功有物理关系9故一般直接用临界载荷表征涂层与基体的结合力[193]0但划痕法测量的涂层临界载荷也受多种因素如涂层材料~基体材料~基体硬度~表面粗糙度~表面化学处理等影响9本文对用划痕法测定TiN结合力的影响因素进行了讨论与分析0 1试验方法1.1试样制备试样选用W6MO5Cr4V2钢(简称M2D和3Cr2W8V钢为基体9试样尺寸为直径25mm9厚3mm的圆片9经规定淬火(M2采用1200C淬火~3Cr2W8V采用1100C淬火D~560C>1h>3次回火处理后9表面精磨达到Ra=0.3pm粗糙度0然后一种直接在ATC-500型PVD电弧蒸发涂层设备中进行多弧离子镀TiN涂层9另一种先在LD-75型离子氮化炉中进行离子氮化~后进行多弧离子镀TiN涂层得到复合涂层9离子氮化+TiN0为了考核基体硬度~粗糙度~涂层厚度对划痕临界载荷的影响9特做了以下试验分析0以W6MO5Cr4V2钢为基体9淬火回火工艺同上9其硬度64.5~65.0RC0表面经过精磨达到到Ra=0.3pm的粗糙度0用于分析粗糙度影响的一组试样9另外进行不同粗糙度的磨加工和研磨处理9获得Ra:0.15~0.82pm不同粗糙度的表面0用于分析基体硬度影响的试样9经不同温度回火9获得不同的基体硬度:40~65RC0涂层厚度均为3.0pm.左右0分析涂层厚度的影响时9保持其他的工艺参数不变9但取不同沉积时间9获得不同的涂层厚度:0.6~3.1pm0 1.2划痕试验设备及分析方法划痕法的基本原理为:采用金刚石划针(Diamand styluS D(划针锥角120 ~划针尖端曲率半径R0. 2mm D在涂层表面以一定速度划过9同时作用在压头上的垂直压力不断增加9增加的方式有两种:步近式和连续式0涂层从基体剥落的最小压力称为临界载荷9记为Lc9以临界载荷Lc作为涂层结合强度的度量0本试验采用中国科学院兰州化学物理研究所研制的Ws-92型声发射划痕仪9其操作过程由计算机控制9采用洛氏硬度C标压头(R=0.2mm D划痕9加载速度100N/min9终止载荷100N0以涂层从基体剥落的D收稿日期:2001-04-20基金项目:华中科技大学模具技术国家重点实验室开放基金(98-13D;和湖北省教育厅科技指导项目(99C019D9湖北汽车工业学院基金资助项目(OY2001-6D.作者简介:胡树兵(1963-D9男9副教授9博士9华中科技大学博士后9湖北汽车工业学院材工系.临界载荷L c 来表征涂层结合力9每种状态的试样测5次9取平均值O 用金相显微镜和 M -35C 型扫描电镜观察各涂层试样的划痕形貌9并核对声发射测试信号的准确性O2试验结果及分析2.1基体材料和离子氮化处理对涂层的结合力的影响由划痕法测得3Cr 2W 8V 和M 2基体TiN 涂层和复合涂层的临界载荷L c 及相应的硬度值~V 0.1见表19此处的硬度为涂层与基体的复合硬度O 由此可见9先离子氮化9再沉积TiN 涂层9其临界载荷L c 提高9即结表1TiN 单层和复合涂层的临界载荷L c 及硬度值~V 0.1涂层基体TiN 单层TiN 复合涂层临界载荷L c (N )3Cr 2W 8V4356M 24863~V 0.13Cr 2W 8V10181236M 213781465合力提高9而且表面硬度也升高O 这是由于离子氮化处理提高了基体硬度9为TiN 涂层提供了强有力的支撑O 这与文献[6]报道的结果相同O 由于M 2基体的硬度为850~V 0.19高于3Cr 2W 8V 基体的硬度660~V 0.19同时9M 2钢的弹性模具量与TiN 涂层的弹性模量更为接近9导致以M 2钢为基体的TiN 涂层和复合涂层硬度及结合力高于以3Cr 2W 8V 基体的硬度和结合力O TiN 复合涂层结合力上升的主要原因[697]为:(1)离子氮化处理除去了基体表面的氧化物9导致结合力提高;(2)Fe ~N ~Cr ~Ti 内扩散层的形成导致界面冶金结合9对结合力的提高起到积极的影响;(3)由于中间硬化层的效应9TiN 裂纹的扩展只有在基材界面上才能进行9延长了裂纹扩展路径9提高了有效硬化深度;(4)TiN 的沉积减少了离子氮化层中 -Fe 2 3N 相的含量9增加了Y /-Fe 4N 相的含量9界面元素的扩散反应有利于涂层与基体的结合力提高O图1基体硬度对临界载荷的影响2.2基体硬度的影响TiN 涂层可以在不同的基体材料上进行9如高速钢刀具~模具9其硬度可达62~66~RC 9而3Cr 2W 8V 钢热作模具钢基体的硬度只有45~50~RC 9为此基体的硬度究竟对涂层与基体的结合力影响程度如何?是一个值得考察的问题O 本试验结果示于图1O由图可见9随着基体硬度的增加9L c 升高9究其原因是硬的薄涂层建立在较软的基体上9犹如一层薄冰在软的泥地上9受力作用下基体局部可能发生塑性变形9从而导致涂层发生破裂9导致涂层脱落的临界载荷降低9反之薄涂层建立在硬的基体上9如结在水泥地上的薄冰一样则较难破裂9临界载荷必高O 试验结果与~edengvist [8]等人的试验结果基本一致O 这是由于基体硬度增加9塑性变形抗力增强9涂层图2TiN 涂层厚度对L c 值的影响的弯曲程度减弱9使涂层在更高的载荷下破裂剥离O 由上可见9基体硬度对临界载荷L c 测得值影响十分明显9作为检验试样应该具有一致的硬度9尤其是对不同涂层工艺作出相应的评价更是如此O2.3涂层厚度的影响TiN 涂层厚度对L c 高低的影响也是一个有实用价值的数据9从本试验取TiN 涂层厚度为:0.6~3.1pm 9其相应的L c 值并作图2O 由图可知9涂层厚度增加9L c 有增高趋势9这是由于厚度增加对于变形抗力有所增强[499]O 工模具的TiN 涂层通常在2.0~3.0pm 范围内9一般划痕能得到确切的临界载荷值O2.4基体表面粗糙度工具~模具或其他需要表面保护的零件9其表面可能是磨加工9也可能是车加工9研磨加工等等9而且有不同的表面粗糙度9因此粗糙度究竟如何影响涂层的结合力对实际涂层作业和使用有重要指导意义O 本试验在表面通过磨加工或研磨而获得不同的粗糙度9且除TiN 层后测定了相应的L c 9其结果示于图3O 从图可62 湖北汽车工业学院学报2001年6月图3粗糙度对临界载荷值的影响看出9基体表面粗糙度对试验结果影响较大9表面越粗糙9临界载荷越低G 这是由于粗糙的纹路本身就是裂纹源9会造成应力集中9这样在较小的载荷下9就会使涂层与基体界面遭受大的剪切力而使涂层破坏G表面越粗糙9这种效果越明显G 但意外的是9表面粗糙度到一定程度(大约Ra I 0.7Pm )9就无法得到确切的临界载荷值9而且给人一种似乎涂层没有破坏的错误信息G 但显微观察表明9基体已经显露出来9但破坏形式完全改变了9由于压头刻痕太深9在压头的推动下9突起的部分会倒下或推向一边9而不是涂层发生弯曲而沿与基体的界面破坏9由于不存在涂层破裂的弹性恢复9也就不产生足够的声发射9于是也就得不到临界载荷值G 3结论1)在离子氮化处理后沉积的离子镀TiN 涂层的临界载荷L c 明显高于TiN 单层;离子氮化过渡层对TiN 涂层起到有力的支撑作用G2)随基体硬度提高和涂层厚度增加9TiN 涂层的临界载荷L c 增高G 而表面粗糙度增大9则临界载荷降低9当粗糙度大于0.70Pm (Ra )时9则临界载荷无法得到确定值G3)以M 2为基体的TiN 涂层的临界载荷均高于硬度较低的以3Cr 2W 8V 钢为基体的TiN 涂层的临界载荷G )当用划痕法测临界载荷来评价涂层工艺性能时9试样要具有相同或相近的硬度~粗糙度及涂层厚度G参考文献,[1]S .J .Bull 9in W .Gissler and H .A .Jehn (eds )9Advanced Technigues for Surface engineering [M ].Kluwer 9Dordrecht 91992931-68.[2]李鹏兴9林行方.表面工程[M ].上海,上海交通大学出版社91989.[3]胡树兵9崔山昆.划痕试验法的物理模型及研究现状[J ].湖北汽车工业学院学报92001915(1),29-32.[ ]D .S .Richerby .A review of the methods for the measurement of coat ing -substrate adhesion [J ].Surf .Coat .Technol .1988936,5 1-557.[5]P .Hedengvist 9S .Hogmark .experience from scratch tesing of tribolo gical PVD coating [J ].Tribology international 91997930(7),507-516.[6]T .Gredic 9M .Zlatanovic 9et al .Properities of TiN coatings deposite d onto hot work steel substrates plasma nitrided atlow pressure [J ].Surf .Coat .Technol 9199295-55,502-507.(下转第31页)72 第15卷第2期胡树兵等,用划痕法测定TiN 涂层结合力的影响因素[7]胡树兵,梅志,李志章.M2钢离子氮化与离子镀TiN复合涂层的高温滑动磨损特性[J].摩擦学学报,2000,20(3):165-169.[8]P.~edengwist,M.Olsson,S.Iacobson,et al.F ailure mode analysis of TiN-coated high speed steel in situ scratch adhe-sion testing in the scanning e lectron microscope[J].Surf.Coat.Technol.1990,41:31-39.[9]S.J.B ull,D.S.R ic k erby.The use of scratch adhesion testing for th e determination of interfacial adhesion:the impor-tance of friction drag.Surf.Coa t.Tehnol[J].1988,36:503-517.Inf luencin g F actors of TiN Coatin g Ad l esion S tre n g t lDetermined by S cratc l TestH U Sh~-Z zng1,2,ZH U X z ao-zng3,Ll Zh z-zha ng4,C U l K~n2(1.Dept.of Material EngIneering,~ubei Automotive Industries,Shiyan442002,China; 2.Institute of Material Science and Engineering,~ua Z hong U niversity of Scienc e and Technology,W uhan430074,China3.Dongfeng Motor Corpora-tion,Shiyan,~ubei442002,China;4.Dept.of Material Science and Engineering,Z he iang U niversity,~ang Z hou310027, China)Abstract:F actors of effects on TiN coating adhesi on strength dctermined by scratch test have been inves-tigated.The results show t hat ion nitriding treament can improve the critical load L c of TiN coating.The critical load L c of TiN coating increases with the increasing of substrate ha rdness and coating thic k ness, but decreases with the increasing of surface roughn ess.~owever,critical load L c is not reliable and definite if surface roughness R a is higher than0.7m.Adhesion strength of TiN coating on M2substrate is b etter than that of TiN coating on3Cr2W8V substrate.Key words:scratch test;TiN coating;critical load;substrate hard ness;roughness(Received Date:April20,200l)用划痕法测定TiN涂层结合力的影响因素作者：胡树兵， 李志章， 崔山昆， 朱晓青作者单位：胡树兵(湖北汽车工业学院材料工程系,华中科技大学材料科学与工程学院,)， 李志章(浙江大学材料科学与工程系,)， 崔山昆(华中科技大学材料科学与工程学院,)， 朱晓青(东风汽车公司,)刊名：湖北汽车工业学院学报英文刊名：JOURNAL OF HUBEI AUTOMOTIVE INDUSTRIES INSTITUTE年，卷(期)：2001,15(2)被引用次数：6次1.S J Bull;in W Gissler;H A Jehn Advanced Techniques for Surface Engineering 19922.李鹏兴;林行方表面工程 19893.胡树兵;崔(山/(昆)划痕试验法的物理模型及研究现状[期刊论文]-湖北汽车工业学院学报 2001(01)4.D S Richerby A review of the methods for the measurement of coat ing-substrate adhesion 19885.P Hedenqvist;S Hogmark Experience from scratch tesing of tribolo gical PVD coating 1997(07)6.T Gredic;M Zlatanovic Properities of TiN coatings deposite d onto hot work steel substrates plasma nitrided at low pressure 19927.胡树兵;梅志;李志章M2钢离子氮化与离子镀TiN复合涂层的高温滑动磨损特性[期刊论文]-摩擦学学报2000(03)8.P Hedenqwist;M Olsson;S Iacobson Failure mode analysis of TiN-coated high speed steel in situ scratch adhesion testing in the scanning e lectron microscope 19909.S J Bull;D S Rickerby The use of scratch adhesion testing for th e determination of interfacial adhesion:the importance of friction drag 19881.华敏奇.袁振海划痕试验法对特殊薄膜系结合力的检测与评价[期刊论文]-分析测试技术与仪器2002,8(4)2.胡树兵.李志章.崔?过渡层对TiN涂层结合力的影响[期刊论文]-材料保护2001,34(9)3.瞿全炎.邱万奇.曾德长.刘正义.Qu Quanyan.Qiu Wanqi.Zeng Dechang.Liu zhengyi划痕法综合评定膜基结合力[期刊论文]-真空科学与技术学报2009,29(2)4.胡树兵.李志章.梅志.叶先运.Hu Shubing.Li Zhizhang.Mei Zhi.Ye Xianyun电刷镀Ni-W过渡层与离子镀TiN复合涂层的结合力和磨损特性[期刊论文]-金属热处理学报2000,21(4)5.程晓农.刘红飞.张志萍.徐红星.徐桂芳.CHENG Xiao-nong.LIU Hong-fei.ZHANG Zhi-ping.XU Hong-xing.XU Gui-fang退火温度对ZrW2O8薄膜结构和结合力的影响[期刊论文]-江苏大学学报（自然科学版）2008,29(2)1.孔德军.周朝政划痕法表征TD处理制备的VC涂层界面结合强度[期刊论文]-航空学报 2012(2)2.王灿.门玉涛.李林安含有界面裂纹薄膜的有限元分析[期刊论文]-科学技术与工程 2007(16)3.刘加健.樊新民铝合金基体电热爆炸喷涂钼涂层的制备工艺与性能[期刊论文]-材料热处理学报 2012(9)4.门玉涛微尺度薄膜力学响应的有限元分析[学位论文]硕士 20055.刘佑铭离子注入预处理对TiN/Al膜基体系力学性能影响的研究[学位论文]博士 2005。
表面涂层结合力检验方法
谢 谢！
划格法
分，级
说，明
发生脱落的十字交叉切割区的表面外 观
0
切口的边缘完全光滑，格子边缘没有任何剥落
_________
1
在切口交叉处有少许涂层脱落，但交叉切割面积受影响不能明显 大于5%
2
在切口交叉处或沿切口边缘有涂层脱落，受影响的交叉切割面积 明显大于5%，但不能明显大于15%
涂层沿切割边缘部分或全部以大碎片脱落，或在格子不同部位上
ISO 2409中规定了不同的漆膜厚度以及底材的软硬对应的不同的划格间距：
膜厚 0~60μm 0~60μm 61~120μm 121~250μm
间距 1mm 2mm 2mm 3mm
材质 硬质底材 软质底材 硬质或软质底材 硬质或软质底材
检测步骤：
1.用刀口宽约10mm-12mm的百格刀横向与纵向,在测试样本表面划10×10(100 个)，的正方形小网格，以1mm为间隔，每一条划线应深及基材。 2.用软毛刷向格阵图形的两对角线轻轻地向后5次，向前5次的刷测试样本表面。 3.用3M胶带或等同效力的胶纸牢牢粘住被测试的小网格，并用橡皮擦用力擦拭 胶带以加大胶带与被测区域的接触面积及力度。 4.用手抓住胶带一端，在垂直方向（90°）迅速扯下胶纸，用放大镜观察表面。
划叉法
1.6
3.2
5A
4A
3A
2A
1A
0A
5A
没有剥落
4A
沿着划痕边缘有少量剥落
3A
交叉处有剥落，不超过1.6mm
2A
交叉处有剥落，不超过3.2mm
1A
交叉划痕处的油漆全部剥落
0A
划痕处以外的油漆也被胶带剥落
其中5A—3A为附着力可接受状态。
划痕法对金属包装材料涂层_基底体系界面结合性能的研究
收稿日期:2009-11-03作者简介:蒋丽梅(1983-),女,湖南人,湖南工业大学助教,主要研究方向为包装材料性能表征、材料力学和运输包装。
划痕法对金属包装材料涂层/基底体系界面结合性能的研究蒋丽梅,肖颖喆,滑广军,何新快(湖南工业大学,株洲412007)摘要:采用A BA QU S 有限元软件建立了含界面裂纹的划痕法有限元模型,在验证其可信性的情况下,间接分析了各参变量对金属包装材料涂层/基底体系界面分离临界能量释放率的影响。
结果表明:能量释放率随时间的增加先增加后减小,随划痕深度及正向载荷的增加则是单调递增的关系。
关键词:金属包装材料;划痕法;涂层/基底体系;有限元模拟中图分类号:T B484.4;T B487 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2010)09-0060-04Study of the Inte rface Adhe sion o f Coating/substrate Syste m o f M etal Packaging M ate rials by a Scratch Test Nume rical M odelJ I A N G L i -mei,X I A O Ying -z he,H UA Guang-j un ,H E X in -kuai(H unan U niversity o f T echnolog y,Zhuzhou 412007,China)Ab stract:A f inite element mo del of scratch test including inter face seam w as dev elo ped to study the effect of va -r ies parameters o n the interfacial cr itical energ y r elease rate of coating /substr ate sy stem o f meta l packag ing ma -ter ials.Results sho wed that interfacial energ y release r ate increased fir st and then decreased with the time in -cr easing ,w hereas it w as in dir ect pr opor tional to the scr atch depth and po sitiv e load.Key words:metal packaging materials;scrat ch test;co ating/substrate system;finite element modeling近年来,金属包装行业保持着稳定、健康、持续的发展势头,基本保持年均7%左右的递增速度。
划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度
W=
If 2E
［"f #c
f
L
c／（I
fd
c
）］2
式（3 ）变形可得
（3 ）
式中
L c = #dc"cf（2I f E f W ）1／2
（4 ）
L c ———临界载荷
#c ———临界载荷 L c 作用下的压头与薄膜-
基体组合体之间摩擦系数
d c ———临界载荷 L c 作用下的划痕宽度 显然，影响 L c 的因素有：
薄膜及界 面 层 同 时 受 到 剪 应 力 和 张 应 力 的 联 合 作
用，应变能以形成界面层裂纹和使薄膜- 基体分离 两种主要形式释放出来. laugie 将产生这种界面失 效的应力 ! 与此界面的粘附能 W 联 系 起 来 并 给 出［4 ］：
W=
1 2
I
f!2／E f
（1 ）
式中 W ———膜- 基界面的粘附能
内也已陆续引进、研制和生产了多种划痕试验机. 中科院兰州化学物理研究所和大连理工大学起草制
定了《气 相 沉 积 薄 膜 与 基 体 附 着 力 的 划 痕 实 验 法 》
（J B!T8554 -1997 ）于1998 年1 月开始实施［4 ，5 ］.
! 划痕试验法原理
!"! 划痕试验法简介 划痕试验法是用一个直径约200 "m 的半球形
d ———划痕宽度 将式（2 ）代入式（1 ），得
（2 ）
具体列于表1 中.
表1 影响临界载荷 !c 的因素 Tab .1 Factors of i nfl uence critical load
固有参数
外来参数
加载速度 基体性质
划痕速率 基体硬度
表面涂层结合力检验方法
在船舶工程中的应用
船舶防腐
船舶长期处于海洋环境中，容易受到腐蚀和 生物污损的侵害。表面涂层结合力检验在船 舶防腐工程中发挥着重要作用，通过检验可 以评估涂层对船体钢板的附着力和耐腐蚀性 能。
船舶动力系统
船舶动力系统中的高温、高压和高速运转的 部件需要高性能的表面涂层进行保护。表面 涂层结合力检验有助于确保这些部件的涂层 质量和安全性。
在航空航天中的应用
航天器热控
航天器热控系统中的表面涂层结合力检验对于保证航天器的温度控制性能至关重要，通过检验可以评估涂层在极 端温度和空间环境下的稳定性和可靠性。
飞机发动机
飞机发动机中的叶片、涡轮和燃烧室等部件需要承受高温、高压和高速气流等恶劣条件，表面涂层结合力检验有 助于提高这些部件的耐久性和可靠性。
02
实验室检验方法
划痕法
划痕法是通过在涂层表面施加一定压力的划痕，观察涂层是否剥离或破损来判断结 合力。
划痕法通常使用划痕试验机，通过逐渐增加划痕的深度，观察涂层的剥离情况，以 确定涂层的结合力等级。
划痕法适用于各种涂层材料，如油漆、涂料、镀层等，是一种常用的表面涂层结合 力检验方法。
弯曲法
弯曲法是通过弯曲被测材料来检 验涂层与基材之间的结合力。
表面涂层结合力检验方法
• 表面涂层结合力检验的概述 • 实验室检验方法 • 现场检验方法 • 无损检验方法 • 表面涂层结合力检验的应用
01
表面涂层结合力检验的概述
定义与重要性
定义
表面涂层结合力检验是指通过一系列试验手段，评估涂层与基材之间粘附力的 强弱，以确保涂层能够有效地附着在基材上，并具有良好的耐久性和功能性。
化学试验法
通过化学反应或腐蚀介质等手段 对涂层进行试验，以评估其与基 材之间的粘附力。
表面涂层结合力检验方法
永远不要对客户说不，客户需求就是我们的追求！
检测步骤：
1.用刀口宽约10mm-12mm的百格刀横向与纵向,在测试样本表面划10×10(100 个)，的正方形小网格，以1mm为间隔，每一条划线应深及基材。 2.用软毛刷向格阵图形的两对角线轻轻地向后5次，向前5次的刷测试样本表面。 3.用3M胶带或等同效力的胶纸牢牢粘住被测试的小网格，并用橡皮擦用力擦拭 胶带以加大胶带与被测区域的接触面积及力度。 4.用手抓住胶带一端，在垂直方向（90°）迅速扯下胶纸，用放大镜观察表面。
永远不要对客户说不，客户需求就是我们的追求！
划格法
分，级 说，明 发生脱落的十字交叉切割区的表面外 观
0
切口的边缘完全光滑，格子边缘没有任何剥落
_________
1
在切口交叉处有少许涂层脱落，但交叉切割面积受影响不能明显 大于5%
2
在切口交叉处或沿切口边缘有涂层脱落，受影响的交叉切割面积 明显大于5%，但不能明显大于15% 涂层沿切割边缘部分或全部以大碎片脱落，或在格子不同部位上 部分或全部脱落，受影响的交叉切割面积明显大于 15%，但不能 明显大于35% 涂层沿切割边缘大碎片剥落，或一些方格部分或全部脱落，受影 响的交叉切割面积明显大于35%，但不能明显大于65%
涂层表面附着力检测方法
（电气柜组）
2016年8月18日
永远不要对客户说不，客户需求就是我们的追求！
一、现场检测： T型弯曲法 划格法（ISO 2409） 划叉法（ASTM D3359-87）
拉开法（ISO 4624）
二、实验室检测方法
划圈法（GB/T 1720—1979）
永远不要对客户说不，客户需求就是我们的追求！
定为一级；部位1漆膜坏损而部位2完好，附着力次之，定为二级。依次类 推，七级为附着力最差。
评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟
写一篇评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟的
报告，600字
TiN薄膜属于金属蒸发膜结构，由于其独特的表面性质，已经
广泛用于航空航天、精密机械以及高性能组件中。
本文将介绍TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟的评估结果。
首先进行划痕试验，旨在评估TiN薄膜在划痕作用下的抗损
伤性能。
实验中，以基材为基准，使用不同宽度的螺丝刀头，以恒定力矩划痕，每个不同宽度的刀头都是重复划痕6次，以比较TiN薄膜与基材之间的相互作用和耐受性。
实验结果显示，随着螺丝刀头宽度的增加，TiN薄膜的抗损伤
性能仍然保持稳定。
在与基材的表面不平整的情况下，TiN薄
膜的强度增加，抗损伤能力也得到改善。
为了更好地理解划痕试验的结果，我们还进行了有限元模拟，以分析薄膜与基材表面之间的物理和力学特性。
模拟结果表明，TiN薄膜与基材表面结合可以有效增强薄膜的抗损伤性能，这
与实验结果相符合。
综上所述，TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟结果
表明，TiN薄膜具有很好的抗损伤性能，且在表面不平整的情
况下，其抗力还会增加，因此可以广泛应用于航空航天、精密机械以及高性能组件中。
划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度
划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度
冯爱新;张永康;谢华琨;范真
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2003(024)002
【摘要】薄膜-基体界面结合性能是直接关系到膜-基体系最终使用性能和可靠性的关键因素和首要指标.划痕试验法是唯一广泛应用于测量硬质薄膜-基体界面结合强度的实用的检验方法.文中给出划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度的原理、方法与过程,以及临界载荷Lc的确定方法,分析影响临界载荷Lc和压头与薄膜-基体组合体之间摩擦系数μ因素.最后,介绍了常用划痕试验检测的薄膜体系及其特点与划痕形貌.
【总页数】5页(P15-19)
【作者】冯爱新;张永康;谢华琨;范真
【作者单位】江苏大学机械工程学院,江苏,镇江,212013;江苏大学机械工程学院,江苏,镇江,212013;成都工具研究所,四川,成都,610056;江苏大学机械工程学院,江苏,镇江,212013
【正文语种】中文
【中图分类】TB43
【相关文献】
1.压痕法测定薄膜(涂层)的界面结合强度 [J], 李河清;蔡殉;马峰;陈秋龙
2.划痕试验法对特殊薄膜系结合力的检测与评价 [J], 华敏奇;袁振海
3.薄膜弹丸对涂层基体冲击的界面结合强度分析 [J], 吴志林;张强
4.划痕试验法测定TiN薄膜的粘着力 [J], 郭祥才;姜乐周;袁有臣;赵程;石玉龙;李世直
5.用划痕试验法测定薄膜附着性过程中薄膜破裂形态的研究 [J], 王家祥;陈宝清;郭可切;黄燕清
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涂层结合力测试标准
涂层结合力测试标准本标准旨在规定涂层结合力的测试方法，涵盖了划格试验、拉开法试验、摩擦法试验、弯曲试验、杯突试验、划痕试验、冲击试验、热震试验、耐化学试剂试验、耐候性试验、耐高温试验、耐低温试验、耐磨性试验和耐腐蚀性试验等方面。
1.划格试验划格试验是一种通过在涂层表面上划格子来评估涂层结合力的方法。
试验时，使用划格器在涂层表面上划出一定规格的格子，然后检查格子边缘是否有剥落或裂纹。
根据剥落或裂纹的数量和大小，可以评估涂层的结合力。
2.拉开法试验拉开法试验是一种通过拉伸试样来评估涂层结合力的方法。
试验时，将涂层试样固定在拉伸试验机上，然后逐渐增加拉伸力度，直到涂层与基材分离。
通过测量分离时的拉伸强度，可以评估涂层的结合力。
3.摩擦法试验摩擦法试验是一种通过摩擦涂层表面来评估涂层结合力的方法。
试验时，将涂层试样固定在摩擦试验机上，然后逐渐增加摩擦力度，直到涂层与基材分离。
通过测量分离时的摩擦力，可以评估涂层的结合力。
4.弯曲试验弯曲试验是一种通过弯曲涂层试样来评估涂层结合力的方法。
试验时，将涂层试样固定在弯曲试验机上，然后逐渐增加弯曲角度，直到涂层与基材分离。
通过测量分离时的弯曲角度，可以评估涂层的结合力。
5.杯突试验杯突试验是一种通过在涂层表面上施加压力来评估涂层结合力的方法。
试验时，将涂层试样放置在杯突试验机上，然后逐渐增加压力，直到涂层与基材分离。
通过测量分离时的压力，可以评估涂层的结合力。
6.划痕试验划痕试验是一种通过在涂层表面上划痕来评估涂层结合力的方法。
试验时，使用划痕器在涂层表面上划出一定深度的划痕，然后观察划痕周围是否有剥落或裂纹。
根据剥落或裂纹的数量和大小，可以评估涂层的结合力。
摩擦力—划痕法评定PVD多层薄膜结合强度研究
】７ ５
［６ 王 士 同 １］
神 经 模 郴 系 统 ｌ其 应 用 ．北 京 ： 京 航 空 及 北
航 天 大 学 出版 社 ．１ ９ ：８ ～ １ １ ９ ８ ｌ ６ ９ （ 辑 编 马尧发）
作者简介 ： 陈拽 羊 ． ，０ ０年 生 南 京 大 学 【 京 市 ２０ ９ ） 男 １７ 南 １ ０ ３ 物 理 系博 士 后 研 究 人 员 研 究 方 向 为 金 属 塑性 加 』ｌ半 导 体材 料 与 器 件 发 表 论 文 ３ ０泉 篇 熊 麦 ， ，９ ５年 生 西北 工 ・ 男 １ ７ №大学 （ 安 市 西 ｌ ｏ ２ 材料 科 学 与 工 程 系博 士 研 究 生 薛善 坤 ０ ） ７ 男
…
。
划痕 法操作 简单 、 用 范 围广 ， 适 而且 已经 有商
品 化 的 仪 器 但 是 ， 目前 为 止 ． 关 多 层 膜 的 力 到 有
学性 能 的研 究 很少 ， 别 是 有关 多 层膜 中各 单层 特
之 间 粘 结 ． 层 膜 各 单 层 之 闻 的 剪 应 力 和 残 余 应 多 力 以 及 应 力 状 态 ． 力 分 布 对 其 摩 擦 学 性 能 的 影 应
收 稿 日期 ： ０ ０ １ — ２ ２。— ０ ３
基金项 目： 国家 自然 科学 基 金 资 助 项 目 （ ９０ ０ ９ ： 国科 学 院 ５ ７ ５￣ ） 中
化 学 物理 研 究 所 固 体 润 滑 国家 重 点 实 验 室 资 助 项 目【 ８ １ ９１）
Ｎｅ ｗ ｏ ｋ ｏ ｔ ｒ ｔ Ｐｙ ｏｍｅｔ ｒ ｅ Ｃｏｒ ｅ ｔｏｎ ｎ Ｔｅ ｐ ａ ｒ ｒ ｃ ｉ ａ ｄ ｍ ｅｒ — ｔ ＣＯ ｒ ｕＦ ｅ ｎｔ ｏ【 ｉ Ｔｈｅｒ ａ Ｐｒ ｃ ｓ ｉｇ． ］ ｔ ｌ ｍ ｌ ｏ ｅ ｓｎ ＥＥＥ Ｔ ｒ ｎｓ ６０ｌ ｎ Ｆｕｚ ｙ Ｓｙ ｅ１ ａ ａｃ １ Ｏ ｓ ｚ ｓ【 ．ｌ ，ｌ９ ９．７（ ９ ２）：１６ ０
用自动划痕仪测定硬质镀层的结合强度
用自动划痕仪测定硬质镀层的结合强度近年来，随着现代工业的不断发展，硬质镀层作为一种常见的表面改性技术，在机械、电子、航空等领域得到了广泛应用。
硬质镀层能够提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而有效地提高零部件的使用寿命和稳定性。
然而，硬质镀层与基材之间的结合强度对其性能起着非常重要的影响。
因此，准确测定硬质镀层的结合强度是必不可少的。
传统的结合强度测试方法有拉伸试验、剪切试验等，但这些方法都存在一定缺陷。
例如，拉伸试验需要大量的试样，测试时间长，对样品制备和夹持要求高，同时容易受到试样的几何形状和尺寸的影响。
而剪切试验则容易造成表面层的破坏，影响测试结果的准确性。
为了克服这些问题，本文采用了自动划痕仪作为测试工具进行硬质镀层结合强度的测定。
自动划痕仪是一种常见的材料表面性能测试设备，主要用于测定材料的硬度、弹性模量、附着性等参数。
该仪器采用划痕试验方法，利用压入试杆及引伸量的变化来判断材料的强度和结构性质。
在本文的实验中，自动划痕仪主要用于测定硬质镀层在基材表面的结合强度。
实验中，首先根据所需的测试参数设置自动划痕仪的测试条件，包括划痕试杆的类型、划痕速度、划痕方向等。
然后，将被测试的样品夹持于测试台上，通过自动控制压入试杆，使其在样品表面留下一定长度的划痕。
通过对划痕的形态、宽度、深度等参数的测量，可获得硬质镀层在基材表面的结合强度值。
实验结果表明，自动划痕仪能够准确地测定硬质镀层的结合强度。
通过测试，我们发现不同的测试条件对测试结果具有一定的影响，如划痕速度、试杆类型等。
因此，在具体的应用中需要根据实际情况进行适当的调整和优化。
另外，本实验还采用了对比试验，通过比较不同材料的结合强度，验证了自动划痕仪测试结果的准确性和可靠性。
综上所述，自动划痕仪是一种简便、快速、准确的硬质镀层结合强度测试工具。
该方法不仅可以对硬质镀层的结合强度进行可靠的测定，而且可以节省较多的测试时间和成本，具有较高的实用价值和广泛的应用前景。
dlc涂层结合力检测方法划痕法
dlc涂层结合力检测方法划痕法嘿，咱今儿就来唠唠这个 DLC 涂层结合力检测方法里的划痕法。
你说这 DLC 涂层啊，就像是给东西穿上了一层特别的“衣服”，得结实才行啊，不然轻轻一碰就掉了，那可不行！那怎么知道这“衣服”结不结实呢？划痕法就派上用场啦！想象一下，就好像是在这涂层上轻轻地划一道，就像我们小时候在墙上偷偷划一道一样，嘿嘿。
不过这可不是乱划，这里面可有讲究呢！咱得用专门的工具，慢慢地、稳稳地划过去，看看这涂层能不能经得住这一道“考验”。
那具体咋操作呢？首先呢，把要检测的东西放好，准备好那个划的工具。
然后就开始小心翼翼地划啦，可不能马虎。
划的时候还得注意力度，不能太轻了，不然啥也看不出来；也不能太重了，万一直接把涂层给划破了，那不就没法检测结合力啦！划完之后呢，就得好好观察啦！看看这划痕周围的涂层有没有起皮、脱落啥的。
如果有，那说明这结合力可能不太好哦；要是没有，那可就值得高兴啦，说明这涂层挺结实的呢！你说这像不像给涂层来一场小小的“考试”呀？而且这个划痕法还挺方便的呢，不需要特别复杂的设备和条件，一般的地方都能做。
但是哦，这也不是说划痕法就是完美的啦。
它也有它的局限性呢！比如说，如果涂层本身就比较薄，那可能一划就破了，这时候就不太好判断结合力到底咋样了。
还有啊，如果涂层下面的基体不太好，也可能会影响检测结果呢。
不过呢，总体来说，划痕法还是很有用的一种检测方法呀！它能让我们快速地了解 DLC 涂层的结合力情况，就像我们的眼睛一样，能帮我们看清这涂层“衣服”到底牢不牢。
咱在实际应用中啊，可不能光靠这一种方法哦，还得结合其他的检测手段，这样才能更全面、更准确地了解涂层的性能呢！比如说，还可以用拉伸法、剪切法啥的，多管齐下，肯定错不了！所以啊，可别小看了这小小的划痕法，它在检测 DLC 涂层结合力方面可是有着重要的作用呢！它能让我们心里有底，知道这涂层到底靠不靠谱。
咱以后要是碰到有 DLC 涂层的东西，就可以想想这个划痕法，想想它是怎么检测结合力的，是不是还挺有意思的呀？嘿嘿！。
摩擦力——划痕法评定PVD多层薄膜结合强度研究
摩擦力——划痕法评定PVD多层薄膜结合强度研究
朱有利;黄元林;石宗利;李重庵
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2002(013)011
【摘要】采用摩擦力-划痕法评定了PVD Ag-Cu/Ti/stainless!steel双层薄膜的结合强度,测得其顶层与底层及底层与基体间的临界荷载值分别为LC1、LC2,其中LC1随膜厚的增加而减小,LC2随膜厚的增加变化不大,且和Ti单层膜的LC值相近.这与膜厚及膜内应力变化有关.实验结果表明,采用摩擦力-划痕法评定多层薄膜结合强度有其独特的优点.可以确定多层膜中不同膜层的LCi值,并以此来表征各层或某些层的结合强度值.
【总页数】3页(P984-986)
【作者】朱有利;黄元林;石宗利;李重庵
【作者单位】装甲兵工程学院材料科学与工程系,北京市,100072;装甲兵工程学院材料科学与工程系,北京市,100072;兰州铁道学院土建学院工程力学所,兰州
市,730070;兰州铁道学院土建学院工程力学所,兰州市,730070
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.444
【相关文献】
1.合理使用划痕法及显微法测定TiN薄膜与基体结合力 [J], 肖娜;杜菲菲
2.划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度 [J], 冯爱新;张永康;谢华琨;范真
3.用球滚接触疲劳法评定硬质薄膜的结合强度 [J], 朱晓东;黄鹤;胡奈赛;何家文
4.划痕法综合评定膜基结合力 [J], 瞿全炎;邱万奇;曾德长;刘正义
5.滚动接触疲劳法评定硬质薄膜的结合强度 [J], 朱晓东;黄鹤;胡奈赛;何家文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
薄膜结合力性能测试（相关知识）
薄膜结合⼒性能测试（相关知识）东南⼤学材料科学与⼯程实验报告学⽣姓名徐佳乐班级学号12011421 实验⽇期2014/9/2 批改教师课程名称电⼦信息材料⼤型实验批改⽇期实验名称薄膜结合⼒性能测试报告成绩⼀、实验⽬的1、掌握薄膜/涂层结合⼒评价原理和⽅法；2、了解划痕仪操作技术。
⼆、实验原理任何薄膜要发挥其功能的前提是附着强度的⾼低。
附着强度不⾼的薄膜，谈论其它质量指标是没有意义的，因此涂层附着⼒强度是薄膜性能的重要指标。
划痕试验⽤具有光滑圆锥顶尖的划针，在逐渐增加载荷下刻画涂层表⾯，直⾄涂层被破坏，涂层破坏时所加的载荷称为临界载荷，并以此作为涂层与基体附着强度的度量。
三、实验内容及步骤测量不同参数下TiN的结合⼒（1）打开仪器控制箱电源，此时控制箱电源灯亮。
预热五分钟。
（2）调整载荷零点：主控箱预热后，逆时针旋转主机加载螺杆，使加载梁前端离开载荷传感器球⽀点。
调整仪器控制箱载荷调零旋钮，使屏幕主控窗⼝右上⽅载荷⽂本框中数值显⽰为“0”，然后再顺时针旋转加载螺杆使载荷⽂本框中数值显⽰为“0.01”,此时划痕压头刚好触及试样表⾯。
（3）设定加载速率10N/min和划痕速度2mm/min。
（4）点击测量按钮，计算机控制系统同时启动连续加载和被测样品平移。
获得划痕过程中变化的载荷值和样品表⾯涂层破损剥落时产⽣的声发射信号，并显⽰声发射信号与载荷变化的对应曲线。
（5）保存曲线，判断临界载荷，⽤体视显微镜观察确定。
四、实验结果及分析样品：TiAlCN薄膜试验1加载载荷：30N加载速率：10N/min划痕速度：2mm/min划痕长度：5mm从曲线中可以明显看出薄膜在载荷为17.5N开始破损剥落，并且载荷越⼤薄膜破损程度也越⼤。
当载荷超过28N后，曲线峰值开始下降，这说明划针开始接触到基底。
因为基底硬度⼤，没有剥落，所以声信号减弱。
此薄膜的临界载荷为17.5N。
在17.5N之前的声信号可能是薄膜表⾯不平整导致部分薄膜被剥落，所以剥落程度很⼩。
用单摆冲击划痕法测定膜基界面结合强度
用单摆冲击划痕法测定膜基界面结合强度
黄林国
【期刊名称】《表面技术》
【年(卷),期】2005(34)1
【摘要】膜和基体之间界面结合强度是评价膜层质量很重要的性能指标。
采用单摆冲击划痕法对膜基界面结合强度进行了定量研究。
单摆冲击划痕法具有动态加载的特性,可从力和能量两个方面获得膜基破坏过程信息,用其测定的膜基界面单位面积所消耗的能量ε可用来定量表征膜基界面结合强度。
研究结果表明,提高镀层磷含量、选择合适的基材表面粗糙度(Ra≈0.4μm)和合适的热处理温度(400℃)有利于提高Ni P化学镀层的界面结合强度和临界法向载荷。
【总页数】3页(P19-21)
【关键词】单摆冲击划痕法;Ni-P化学镀层;动态加载;界面结合强度
【作者】黄林国
【作者单位】台州科技职业学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ153.1
【相关文献】
1.冲击划痕法测定Ni—P化学镀层结合强度 [J], 刘捍卫;李曙
2.评价涂层结合强度的单摆冲击划痕法通过技术鉴定 [J], 刘家浚
3.膜—基界面结合性能激光划痕检测方法技术优势分析 [J], 冯爱新;谢华锟;张永康;
范真;蔡兰;周明
4.用对滚法测定膜基界面的结合强度 [J], 孙海林;刘青林;胡奈赛;何家文
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内也已陆续引进、研制和生产了多种划痕试验机. 中科院兰州化学物理研究所和大连理工大学起草制
定了《气 相 沉 积 薄 膜 与 基 体 附 着 力 的 划 痕 实 验 法 》
（J B!T8554 -1997 ）于1998 年1 月开始实施［4 ，5 ］.
! 划痕试验法原理
!"! 划痕试验法简介 划痕试验法是用一个直径约200 "m 的半球形
（1 ）在临界载荷 L c 时，压头与薄膜- 基体组合 体之间的摩擦系数#c 越大，L c 越小.
（2 ）在临界载荷 L c 时，划痕的宽度d c 越大，L c 越大.
（3 ）薄膜的厚度I f 越大，L c 越大. （4 ）薄膜的杨氏模量 E f 较大，泊松比"f 较小， 对应的 L c 较大. （5 ）薄膜- 基体界面粘附能 W 较大时，临界载 荷 L c 较大. 2. 2 影响 !c 的因素 划痕试验中影响薄膜破坏失效的临界载荷 L c 的因素很多，可分为试验固有参数和外来参数两类，
薄膜及界 面 层 同 时 受 到 剪 应 力 和 张 应 力 的 联 合 作
用，应变能以形成界面层裂纹和使薄膜- 基体分离 两种主要形式释放出来. laugie 将产生这种界面失 效的应力 ! 与此界面的粘附能 W 联 系 起 来 并 给 出［4 ］：
W=
1 2
I
f!2／E f
（1 ）
式中 W ———膜- 基界面的粘附能
（2 ）电子探针法 用电子探针对划痕沟槽进行 化学分析，如果测得基体成分，表明薄膜已划破，在
划痕方向开始划破处的载荷为临界载荷 !c. 电子 探针法只能测出薄膜表层与基体的脱离状况，而许
多情况是先出现 !c 开裂，这样会造成误判. （3 ）声发射检测法 不同载荷作用下的声发射
不同，压头将涂层划破或剥落时发出的声信号有突
W=
If 2E
［"f #c
f
L
c／（I
fd
c
）］2
式（3 ）变形可得
（3 ）
式中
L c = #dc"cf（2I f E f W ）1／2
（4 ）
L c ———临界载荷
#c ———临界载荷 L c 作用下的压头与薄膜-
基体组合体之间摩擦系数
d c ———临界载荷 L c 作用下的划痕宽度 显然，影响 L c 的因素有：
变，此时的垂直载荷即为临界载荷 !c. （4 ）切向力法 在线性增加的载荷作用下进行
划痕试验时，可通过切向摩擦力测量法求 !c. 当压 头划针将薄膜划破或使之脱落时，摩擦系数将发生
图2 测定 !c 自动划痕试验机的结构原理图 Fi g .2 Struct ure of scratch testi ng eCui p ment
f or deter mi nati on !c
压头连续加载电机使洛氏硬度计标准压头连续 加载，同时，位移电机沿水平方向匀速拖动试样台， 从而在试样上形成划痕；声发射探头探测划痕产生 的声发射强度并输入微机，切向摩擦力传感器连续
较大变化，切向力由此亦发生变化，此时的载荷即为
涂层的临界载荷. 切向力法测得完全划破或脱落后 的情况. 该方法主要用于2 #m 以下及较软薄膜结 合强度的测量，对金属基体上陶瓷薄膜的结合强度
示及存贮数据与图形. 1.3 临界载荷 !c 的确定方法
临界载荷 !c 的确定方法主要有4 种： （1 ）显微观察法 用反射光或扫描电镜对划痕 进行观察，以出现薄膜开裂或脱离的最小负荷为临
界载荷 !c. 由于划痕时薄膜有开裂（共轭裂纹、拉 伸裂纹）、剥落、皱折、碎屑等不同的破坏形式，而不
同的破坏形式对应的临界载荷 !c 不同，这限制了 显微观察法的应用.
能增大，而使 Lc 降低. 因此，降低薄膜中残余内应 力有利于提高 Lc.
（4 ）薄膜- 基体粘附能 W W 是将薄膜从基 体上剥离下来所需的能量. 当取一级近似时
W !0 .5（!Gfc + !Gcs ）-!f"s 式中 !Gf c ———薄膜内聚能，决定于薄膜强度
!Gsc ———基体内聚能，由基体强度决定 !f"s ———薄膜- 基体界面能，决定于基体和薄 膜材料的结构和性质一致性及界面键合状态
I f ———薄膜的厚度
!———界面失效的应力
E f ———薄膜的杨氏模量
Attar 在 Bur nett 和 Bul 等前人工作的基础上，
进一步改进，得［4 ］
!= "F#A = "#L／（I f d ） 式中 #———摩擦系数
"———泊松比 F ———摩擦力，F = #L L ———垂直载荷 A ———作用面积，A =I f d
金刚石压头在薄膜表面上滑动，在此过程中通过自
动加载机构连续增加垂直载荷 !，当 ! 达到其临界 载荷!c 时，薄膜与基体开始剥离，薄膜- 基体界面 临界载荷 !c 即压头完全划透薄膜并使之从其基体 上连续剥离所需要的最小载荷；同时，压头与膜基体
系的摩擦力 " 相应发生变化. 此时，脆性薄膜会产
［收稿日期］2002 -09 -12 ［基金项目］国家自然科学基金资助项目（50275069 ）；江苏大学微纳米科学技术研究开放基金资助项目 ［作者简介］冯爱新（1970 - ），男，江苏东台人，讲师，博士生，主要从事薄膜检测、模具设计与制造、机械制造的研究.
随着薄膜技术的广泛应用，人们对涂层应用的 可靠性和使用寿命提出越来越高的要求，而薄膜与 基体的结合性能在很大程度上决定了涂层应用的可 靠性和使用寿命，是得以发挥薄膜涂层作用的基本
条件，也是涂层制造过程中普遍关心的问题. 涂层 与基体的结合强度是影响涂层质量的首要指标.
测量薄膜涂层界面结合强度的试验方法很多，
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江 苏 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
第24 卷
生声发射，通过传感器获取划痕时的声发射信号、载
荷的变化量、切向力的变化量. 经放大处理，输入计 算机经 A!D 转换将测量结果绘制成图形，在声发射
信号~ 载荷曲线上临界载荷值 !c 处对应得出声发 射峰（图1 ），此时临界载荷 !c 即为薄膜与基体结合 强度的判据.
d ———划痕宽度 将式（2 ）代入式（1 ），得
（2 ）
具体列于表1 中.
表1 影响临界载荷 !c 的因素 Tab .1 Factors of i nfl uence critical load
固有参数
外来参数
加载速度 基体性质
划痕速率 基体硬度
压头尖半径 基体模量
压头磨损 机械因素
基体热膨胀 系数
"区：在 L "L c 以后，压头与基体直接接触，使 基体塑性变形快速增大，声发射强度 K 和摩擦力F 均较大，但无明显继续增大的趋势.
2 影响 !c 的因素
2. 1 理论分析 压头对其前方的薄膜产生压应力，加上在薄膜
制备过程中产生的残余内应力，均以弹性应变能的 形式贮存在薄膜及其与基体的界面层中；在划痕过 程中，由于泊松效应使压应力转变为张应力，从而使
低薄膜的表面粗 糙 度 Ra f ，降 低 摩 擦 系 数 #，提 高 L c ；同时小的 Ra S 还有利于薄膜生长完善，减小内 应力，从而提高 L c.
（3 ）薄膜残余内应力 薄膜- 基体界面开始失 效时，较高的内应力可使薄膜及界面层释放的应变
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江 苏 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
第24 卷
第24 卷第2 期
江 苏 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
Vol .24 No .2
2003 年3 月
Journal of Jiangsu Uni versit y（Nat ural science editi on ）
Mar .2003
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有划痕法、压痕法、弯曲法、冲击法、拉伸法及断裂力
学法等355
种［3
］
.
在所有实用的膜- 基界面结合强
度检验方法中，尤其是硬质薄膜- 基体界面结合强
度的 检 验 方 法 中，仅 划 痕 检 验 法 得 到 广 泛 的 应 用 .
划痕检验操作简便、直观、可量化，且在一定程度上
模拟实际工况等优点，已被世界多数国家所采用，国
划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度
冯爱新1 ，张永康1 ，谢华琨2 ，范 真1
（1 . 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013 ；2 . 成都工具研究所，四川 成都 610056 ）
［摘 要］薄膜- 基体界面结合性能是直接关系到膜- 基体系最终使用性能和可靠性的关键因素 和首要指标. 划痕试验法是唯一广泛应用于测量硬质薄膜- 基体界面结合强度的实用的检验方 法. 文中给出划痕试验法表征薄膜涂层界面结合强度的原理、方法与过程，以及临界载荷 !c 的确 定方法，分析影响临界载荷 !c 和压头与薄膜- 基体组合体之间摩擦系数! 因素. 最后，介绍了常 用划痕试验检测的薄膜体系及其特点与划痕形貌.
表面涂层技术是提高材料表面性能的重要手段 之一（另一重要手段是表面改性技术），是用极少量 的材料赋予零件和构件表面耐磨、耐腐蚀、耐热、耐 疲劳、耐辐射以及光、热、电、磁等特殊性能，起到即 使用大量昂贵的整体材料也难以起到的作用，大量 节约了资源和能源，可充分发挥基体材料和涂层材 料的潜能，降低生产成本［1 ，2 ］. 薄膜涂层技术和厚膜 涂层技术是涂层技术发展的两个方向. 近年来，随 着表面工程技术和纳米技术的发展，薄膜技术发展 迅速，人们能够用多种方法制备各种微纳尺度薄膜， 满足各种性能要求. 目前，薄膜涂层技术已广泛用 于航空、航天、机械制造、电子技术、光学工程及计算 机工程等各个领域.