CN101441163A - 涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂镀层－基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，包括如下步骤：制备涂有待测涂镀层的试样，该试样界面与基体自由面成一夹角；制备前端面有辅助涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层端垂直冲击试样的基体自由面；测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已知的数值计算和理论分析，求得试样涂镀层－基体界面应力历史；测量试样上的涂镀层－基体界面剥离特征尺寸，建立涂镀层－基体界面应力历史与涂镀层－基体界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂镀层－基体界面结合性能。本发明原理简单、模型清晰；能测试不同加载比例下强结合涂镀层－基体界面结合性能及动态涂镀层－基体界面结合性能，可操作性强。

Description

涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法

技术领域

本发明涉及一种测量基体与涂镀层之间界面结合性能的方法。

背景技术

涂镀技术的首要问题通常存在于涂镀层与基体的结合，而涂镀层与基体之间的界面实际结合强度的实验室表征，就是通过设计加载方式剥离涂镀层，并建立涂镀层剥离行为与载荷的关系。

由于涂镀层与基体体系的跨尺度结构特征，如何在涂镀层与基体之间的界面上有效的施加载荷来剥离涂镀层一直是试验设计的难点和热点。总体来看，早期比较常见的加载方式都是准静态的，且可以大致纳入三大类，第一类是使涂镀层发生局部变形从而将载荷传递到涂镀层与基体之间界面的方法，如划痕法(辅以声发射、切向力、振动针等甄别手段)、压痕法和刮剥法；第二类是使基体发生变形从而将载荷转移到涂镀层与基体之间界面的方法，如弯曲法、基片拉伸法、侧面压入法；第三类是使用粘结剂的测量方法，通过粘结剂在涂镀层侧拓展出可以方便的施加拉、扭载荷的辅助结构。这些传统的测试方法在很大程度上满足了一些工程实际需要，但是它们存在的不足和局限性也是众所周知的：前两类方法存在变形高度局部化、大变形使得力学模型难以清晰，从而涂镀层剥离与载荷的定性关系难以获得，并且涂镀层与基体之间的界面上同时承受切向力和法向力，无法分离出涂镀层与基体之间的界面剪切破坏强度和拉伸破坏强度；而第三类方法虽然能制造出较低混合度的涂镀层与基体之间的界面载荷模式。也给出比较简单的模型描述，却由于受限于粘结剂本身的强度而只能测试出较弱的涂镀层与基体之间的界面结合强度。同时，以上方法无法测试动态(较高应变率)涂镀层与基体之间的界面结合性能。

针对这些问题，Vossen等提出了所谓的激光层裂法。激光层裂法的最初思想是以短脉冲激光冲击平板试样的基体表面，基体表层材料的爆炸性气化产生高强度的压缩应力波，该压缩波沿试样向涂镀层侧传播，在涂镀层与基体之间的界面处将发生反射和透射，透射压缩波在涂镀层自由表面发生反射形成拉伸波，此拉伸波与入射波在涂镀层与基体之间的界面处叠加产生拉伸应力而使得涂镀层沿涂镀层与基体之间的界面开裂。Wang等用三棱形试样代替平板试样来实现涂镀层与基体之间界面的剪切、拉伸混合加载剥离，使该方法的内涵进一步得到扩充。然而，就象上述研究者都提到的那样，由于激光层裂法使用激光将基体材料高速气化，这一过程包含了复杂的热-物理-力学过程，因此全过程的模型化研究相当困难，应力作用历史难以清晰描述。

此后，侯振德等提出利用Hopkinson压杆装置原理，以金属杆冲击试样基体侧，在涂镀层与基体之间的界面处制造拉伸应力来评估涂镀层与基体之间界面结合强度。这种方法对于结合相对较弱的厚涂镀层来说，具有原理清晰、模型相对简单及可操作性强的优点。但是该方法所能提供的载荷水平较低，对于强结合涂镀层与基体之间界面结合性能无法评估(从这个角度来讲，粘结剂法甚至能达到更高的应力水平)；同时该方法需要将基体制成细长杆，然后在杆端涂敷涂镀层，这种试样制作要求过高；并且该方法只适用于较厚的涂镀层。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可在界面处实现不同模式的载荷，并且操作性强的测试涂镀层与基体之间界面结合强度的方法。

为实现上述目的，本发明一种涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，具体步骤为：

1)制备涂有待测涂镀层的试样，该试样的界面与基体自由面之间有一夹角；

2)制备有辅助涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；

3)用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层端垂直冲击试样基体自由面；

4)测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已知的数值计算和理论分析，求得试样涂镀层与基体之间界面应力历史；

5)测量试样上的涂镀层与基体之间界面剥离特征尺寸，建立涂镀层与基体之间界面应力历史与涂镀层-基体界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂镀层与基体之间界面结合性能。

进一步，所述步骤1)中的试样界面与基体自由面之间的夹角可根据所需要的检测指标对该角度进行调整。

进一步，所述步骤5)中的涂镀层与基体之间的界面剥离特征尺寸具体为剥离区域的半径。

进一步，所述弹丸为圆柱形，涂层位于圆柱形的前端面。

进一步，所述弹丸基体的材质为塑料。

进一步，所述发射装置为气枪、弹道枪或气体炮。

本发明涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，采用带有涂层的弹丸冲击试样的基体表面，建立起被测涂镀层-基体界面应力历史与涂镀层-基体界面剥离特征尺寸的关系，来评价涂镀层-基体的界面结合性能，既能够测试强结合的涂镀层-基体界面结合性能，也能够测试动态涂镀层-基体界面结合性能，具有原理简单、模型清晰、可操作性强等优点。

附图说明

图1为本发明涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法主视图；

图2为实施例中应力波传播的原理图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明提出的基于层裂效应的弹丸冲击法，基本原理是以声阻抗较低的材料(如塑料)作为圆柱弹丸1，由圆柱形的弹丸基体11和镀覆在弹丸基体11前端面上的弹丸涂层12组成，弹丸涂层12的声阻抗与试样基体21接近。

试样2固定在支架上，试样2上涂有涂镀层的基体表面与水平面呈一α角，用弹丸发射装置，如气枪、弹道枪或气体炮发射弹丸1，使弹丸1沿垂直试样方向以一定的速度V₀冲击试样2基体自由面21，并产生压缩应力波P，该压缩应力波P从基体上的被冲击部位传播到涂镀层自由面221时发生反射，反射出一个膨胀波R_P和一个剪切波R_s，并折射一个膨胀波T_P和一个剪切波T_s。其中入射角、反射角、折射角等关系如图2所示，带有下标1的参数代表被测试样的基体参数，带有下标2的参数代表被测试样的涂层参数，ρ-密度，V-速度。其中基体自由面21为待冲击的基体表面，界面为试样的基体面与涂镀层相接合的表面。

入射角、反射角和折射角及速度之间满足关系式：

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{V_{p1}}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_1}{V_{p1}}=\frac{{\sin \mathrm{\β}}_1}{V_{s1}}=\frac{{\sin \mathrm{\α}}_2}{V_{p2}}=\frac{{\sin \mathrm{\β}}_2}{V_{s2}}$

且反射应力波、折射应力波幅值与入射应力波幅值满足关系式：

$\left[\begin{array}{cccc}{\sin a}_1& \cos {\mathrm{\β}}_1& -{\sin a}_2& -\cos {\mathrm{\β}}_2\\ {\cos a}_1& -{\sin \mathrm{\β}}_1& {\cos a}_2& \sin {\mathrm{\β}}_2\\ {\sin 2a}_1& \frac{V_{p1}}{V_{s1}}\cos 2{\mathrm{\β}}_1& \frac{{\mathrm{\ρ}}_s{V_{s_2}}^2{V}_{p_1}}{{\mathrm{\ρ}}_1{V_{s_1}}^2{V}_{p_2}}\sin {2a}_2& \frac{{\mathrm{\ρ}}_2{V}_{s_2}{V}_{p_1}}{{\mathrm{\ρ}}_1{V_{s_1}}^2}{\cos \mathrm{\β}}_2\\ {\cos 2\mathrm{\β}}_1& -\frac{V_{s_1}}{V_{p_1}}{\sin 2\mathrm{\β}}_1& -\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{V}_{p_2}}{{\mathrm{\ρ}}_1{V}_{p_1}}\cos {2\mathrm{\β}}_2& \frac{{\mathrm{\ρ}}_2{V}_{s_2}}{{\mathrm{\ρ}}_1{V}_{s_1}}{\sin 2\mathrm{\β}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{pp}}\\ R_{\mathrm{ps}}\\ T_{\mathrm{pp}}\\ T_{\mathrm{ps}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-{\sin a}_1\\ {\cos a}_1\\ {\sin 2a}_1\\ {-\cos 2\mathrm{\β}}_1\end{array}\right]$

其中R_PP＝R_P/P，R_PS＝R_s/P，T_PP＝T_P/P，T_PS＝T_s/P。

折射膨胀波T_P和剪切波T_s在被测涂层自由表面(涂层-空气界面)反射后将形成反向的膨胀波和剪切波，从而可在界面附近制造拉伸应力和剪切应力。反射波和折射波应力幅值是倾角α的函数，因此通过改变倾角α，可以改变拉伸应力和剪切应力的比值，实现不同加载比例的界面破坏，建立涂镀层与基体之间界面应力历史与涂镀层-基体界面剥离特征尺寸的关系，来评价涂镀层与基体之间界面结合性能。这种制造拉伸应力波和剪切应力波的动态方法能有效测试涂镀层与基体之间界面结合性能，该方法既可避免激光层裂法中激光冲击的复杂物理过程，又可克服Hopkinson压杆方法应力水平低及试样制备要求高的问题，同时通过改变拉伸应力和剪切应力的比值，实现不同加载比例的界面破坏。

Claims (6)

1.一种涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，具体步骤为：

1)制备镀覆待测涂镀层的试样，该试样的界面与基体自由面有一夹角；

2)制备前端面有辅助涂层的弹丸，弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；

3)用发射装置发射弹丸，使弹丸以覆有涂层端垂直冲击被测试样基体自由面；

4)测量弹丸与试样接触时的初速度，并通过已知的数值计算和理论分析，求得被测试样涂镀层-基体之间界面应力历史；

5)测量试样上的涂镀层-基体之间界面剥离特征尺寸，建立涂镀层-基体之间界面应力历史与涂镀层-基体之间界面剥离特征尺寸的关系，以评价涂镀层-基体之间界面结合性能。

2.如权利要求1所述的涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，其特征在于，所述步骤1)中的试样界面与基体自由面之间的夹角可根据情况对该角度进行调整。

3.如权利要求1所述的涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，其特征在于，所述步骤5)中的涂镀层与基体之间的界面剥离特征尺寸具体为剥离区域的半径。

4.如权利要求1所述的涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，其特征在于，所述弹丸为圆柱形，辅助涂层位于圆柱形的前端面。

5.如权利要求1所述的涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，其特征在于，所述弹丸基体的材质为塑料。

6.如权利要求1所述的涂镀层-基体界面结合性能的弹丸冲击测试法，其特征在于，所述发射装置为气枪、弹道枪或气体炮。

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