如何测定涂层的残余应力？

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：目前常采用衍射法、曲率法、钻孔法和剥离法等测试方法对涂层的残余应力进行测量。根据残余应力测试方法对涂层质量有无机械损伤，将测试方法分为无损法和破坏法两类，现将主要的测试方法概述如下。由于X射线的穿透能力较低，仅能测试样品表面较薄一层的残余应力，测量深度仅为几十微米。目前已有采用微型钻孔测量涂层残余应力的方法问世。表5-15 几种主要涂层残余应力测试方法的比较

尽管测试材料残余应力的方法很多，但由于热喷涂涂层所具有的特性，加上各种测试方法本身的特点和有限的测试条件的限制，欲获得涂层残余应力的准确值仍存在一定的难度。目前常采用衍射法、曲率法、钻孔法和剥离法等测试方法对涂层的残余应力进行测量。随着高新技术的发展，也出现了细观方法、激光云纹干涉法、Raman应力法等。各种测试方法在测量过程中均具有一定的优势，同时存在一定的局限性。根据残余应力测试方法对涂层质量有无机械损伤，将测试方法分为无损法和破坏法两类，现将主要的测试方法概述如下。

1.无损法

无损法不改变和不破坏涂层表面状态，按测量对象不同有多种不同的具体方法，如利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化来测定残余应力的方法，包括X射线衍射法、中子衍射法，再如利用基体喷涂前后曲率的变化来测定残余应力的方法——曲率法等。

（1）X射线衍射法 X射线衍射法是测试涂层残余应力的常用方法之一。它对涂层表面应力敏感，不破坏样品，是一种无损的测试方法，由于测量手段简单，准确度较高，在热喷涂涂层中得到了广泛的应用。它利用阴极射线管产生的X射线作为入射线，以晶面间距作为残余应变的度量。其基本原理是当涂层中存在残余应力时，将引起晶格变形，根据布拉格衍射方程，产生的（hkl）衍射峰将发生移动，根据（hkl）晶格常数相对标准晶格常数发生的漂移量求得点阵应变，进而计算出残余应力。在实际测量计算过程中常采用sin2ϕ法和0～45°法，用式（5-23）计算涂层的残余应力：

σ_x=E/（1+ν）sin²[（d_i-d_n）/d_n] （5-23）

式中 E——弹性模量；

ν——泊松比；

d_i——倾斜角0°（hkl）的面间距；

d_n——倾斜角45°（hkl）的面间距。

由于X射线的穿透能力较低，仅能测试样品表面较薄一层的残余应力，测量深度仅为几十微米。

（2）中子衍射法中子衍射法以中子流为入射束，照射试样产生衍射，得到衍射峰，与X射线衍射法原理基本相同，即根据衍射峰位置的变化计算应力。与X射线衍射法相比，中子衍射法由于中子穿透样品的深度较大，可测量涂层深部的残余应力，在一定程度上弥补了X射线衍射法穿透能力弱、对厚涂层检测误差较大的不足。

（3）环状曲率法曲率法通过电阻应变片测量喷涂前后试样的曲率变化，计算涂层的残余应力分布及大小。在颗粒沉积到基体上时，涂层和基体之间由于物理性能的差异产生二维界面应力，使基体产生微小的弯曲，根据几何学和力学原理推断出基体的曲率变化和涂层应力的对应关系。

先将试样加工成环形状，选用喷涂工艺方法，按制定好的工艺参数在环状试样上制备涂层。由于涂层内存在一定的应力，会使试样的曲率发生变化，可以根据测量到的曲率变化，通过式（5-24）计算出涂层中残余应力的大小。

式中 E₁——涂层材料弹性模量（MPa）；

E₂——基体材料的弹性模量（MPa）；

h₁——涂层厚度（mm）；

h₂——基体材料厚度（mm）；

ρ——曲率半径（mm）；

ν——涂层的泊松比；

στ——涂层残余应力（MPa）。

2.破坏法

破坏法是利用机械加工或其他加工方法将残余应力释放，通过测量释放产生的应变计算残余应力的，其方法对样品均有一定的破坏性，主要有盲孔法、剥层法等。

（1）盲孔法盲孔法是目前应用最广泛的残余应力测量方法。由于测量手段简单，成本较低，测量精度较高，已成为一种标准测试方法，可用来测量各种材料的残余应力。其基本原理：在具有一定初应力的涂层表面钻一个有一定大小的盲孔，在盲孔附近表面由于释放部分应力而产生相应的位移和应变，根据所测得的释放应变，代入经过修正的Kirsch公式，即可计算出涂层的残余应力。目前已有采用微型钻孔测量涂层残余应力的方法问世。

（2）剥层法剥层法利用机械或化学方法将涂层逐层剥离或去除基体，释放涂层中的应力，通过电阻应变片逐次测量残留试样的释放应变，根据释放应变计算残余应力的分布和大小。由于在逐层剥离过程中，机械方法易造成材料损伤，较难均匀减薄；而化学腐蚀剥层时涂层与基体界面部位常常先发生腐蚀，较难控制逐层剥离，因此剥层法在涂层残余应力测量中难以得到广泛的应用。

上述各种残余应力测试方法的优缺点见表5-15。

表5-15 几种主要涂层残余应力测试方法的比较

如何测定涂层的残余应力？

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