金属基薄膜涂层材料界面的高周疲劳性能表征及寿命评价方法

Failure of interface is mainly induced by fatigue loading in engineering, so its fatigue properties are the most important mechanical behavior of interface. Since stress at interface is always under complicate state, it is too difficult to clarify the dominative parameter and to develop life evaluation model by experiments only. By considering lives corresponding to initiation and propagation of interfacial crack, phenomenological dominative parameter and life evaluation model will be investigated. Through the micro observation of interfacial phase under different fatigue stages and stress states before cracking, dominative parameter of interfacial damage evolution will be clarified at first, and then the evolution rule and life model will be developed, and the fatigue criterion will be established. The dominative parameter of interfacial crack propagation can be obtained by stress analysis at crack tip after interfacial damage evolution rule has been determined. From experimental results of interfacial crack propagation, the growth law can then be developed. Fatigue properties of interface are just coefficients contained in evolution rule and propagation law. From the physical meanings of fatigue property, methods to raise fatigue resistant of interface can be proposed, and will be examined by tests. Due to the effect of complicate stress state at interface and interfacial phase, evaluation method of interface fatigue is quite different from that for a homogeneous material.

工程中绝大多数界面失效是由疲劳引起的，故疲劳性能是界面的主要力学特性。因界面总是处于复杂应力状态，导致界面疲劳寿命评价参数和寿命模型，都难以仅通过实验去确立。本项目将寿命分为起裂和裂纹扩展两部分进行研究。关于起裂寿命，拟通过不同寿命阶段的界面相组织显微观察、损伤演化机理考察，来确立唯象的界面疲劳评价参数，进而建立界面损伤演化律，得出无应力奇异性影响的界面起裂寿命评价方法，并建立关于其疲劳极限状态的疲劳准则。关于扩展速率，因裂尖总是处于混合模态下，且由于结合残余应力的再分布，其模态比和应力比都会不断发生变化。故拟结合损伤演化律和扩展试验，确定具有普适性的评价参数并建立扩展速率规律。界面的疲劳性能就体现在寿命模型和扩展规律中的常系数里。通过考察性能参数对寿命的影响及其意义，可以提出提高界面疲劳性能的方法。界面疲劳由于受界面应力状态和复杂界面相的影响，其评价方法与均匀材料的疲劳有较大的不同。

涂层脱落是各类功能涂层、改性涂层材料的主要失效形式。为了建立普适性的涂层界面强度寿命评价方法，自行制备了Al2O3-NiCoCrAlY-S45C和Y2O3ZrO2-NiCoCrAlY-FSX414两种试件，通过在金属基体中引入适当的缺陷(事先经数值计算选定)，引起界面处的应力集中，实现了完好界面的起裂、疲劳扩展试验，避免了界面端奇异性的影响，结合界面力学理论研究，达到了建立强度寿命评价方法的研究目的。1）发现界面失效都发生在顶层/连接层界面上，这是因为该界面的力学特性失配比连接层/基体界面严重的缘故; 2）建立了普适性的界面静态破坏准则，首先基于体积和畸变应变能各有临界值并相互线性耦合的假定，推导出理论失效准则，然后根据实际界面应力状态，可退化为常用的面力椭圆准则，并与实验结果吻合；3）发现界面长裂纹的疲劳扩展总是符合Paris规律的(以复合应力强度因子幅及循环应力比为参数，与模态比无关)，但对于小短界面裂纹则不符合，并确定了包括门槛值在内的疲劳特性常数；4）建立界面疲劳起裂寿命的评价方法，利用疲劳损伤演化律(以界面面力合力的振幅、平均合力为参数)，结合完好界面疲劳起裂及扩展试验，寿命评价结果与实验S-N曲线一致；5）建立了可以适用于任意界面裂纹长度的裂纹扩展速率评价方法，通过引入界面疲劳特征长度（特性常数），以裂尖特征长度的起裂寿命计算得到的扩展速率，与长及小短界面裂纹的疲劳扩展试验结果均一致。以上研究成果说明，支配界面静态失效和疲劳失效的参数是不同的，完好界面疲劳起裂寿命的S-N曲线，与界面裂纹扩展速率曲线（包括小短裂纹）是同一种界面疲劳行为，可用疲劳特征长度内的疲劳寿命，对起裂及扩展寿命进行统一评价。