10-表面技术---涂层设计篇分析报告.ppt

表面技术概论  表面分析方法及表面技术设计篇 山东科技大学材料科学与工程学院 2013 1 表面分析技术 涂层的分析与检测有共性和特性之分 涂层的共性检测包括外观、厚度、硬度、残余应力、界面结合力、孔隙率测量和显微组织观察等 特性分析包括耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、导电性检测等。 涂层外观的检测包括表面缺陷、粗糙度、光泽度和覆盖性，通常采用肉眼观察和仪器测量的办法。 1.1 涂层外观的检测 （1）表面缺陷 表面缺陷主要有鼓泡、起皮、斑点、疏松、毛刺、针孔等，鼓泡是涂层表面隆起的小泡，大小、疏密程度不一，严重时与基体分离，脱皮是涂层与基体剥离的开裂状或非开裂状缺陷，通常是涂/镀层常见的缺陷。 分析方法： 目测 体视显微镜 扫描电镜 （2）表面粗糙度 可采用轮廓算术平均值Ra和轮廓微观不平度Rz来表示。 测量仪器：粗糙度测量仪 不同测量方法测得的粗糙度不同 涂层厚度的检验方法很多，可分为无损检测和破坏性检测两大类。 无损检测主要有磁性法、涡流法、和X－射线荧光测厚法等。 破坏性检验方法有金相显微法、多束光干涉法和化学溶解法等。 1.2 涂层厚度的测量 硬度的测量可归纳为三种主要的类型：静态压痕硬度、动态/回弹压痕硬度及划痕硬度。 静态压痕硬度测量是通过球体、金刚石锥体或其它锥体将力施加到被测材料上，使被测材料发生塑性变形，产生压痕，再依据载荷与压痕面积/深度之间的关系，求出其硬度值。 动态/回弹压痕硬度测量是将一个具有标准重量和尺寸的物体从一定的高度下落到被测材料的表面并从其表面弹起，根据回弹的高度来测定被测材料的硬度值。 划痕硬度测量是通过被测物体去刻划已知硬度的另一种物体或用已知硬度的一种物体去刻划被测物体，根据所产生的划痕大小来评价硬度值，属于一种半定量测定方法。 1.3 硬度的测量 显微硬度计测量，膜厚应大于压痕所产生的塑性形变区及影响区深度，如维氏硬度，膜厚至少要为压痕深度的10倍，当镀膜非常薄时，基片的硬度会影响膜的硬度。 （1）涂层显微硬度测量 常用的是表面洛氏硬度计。最硬的耐磨涂层采用C刻度，载荷有15N，30N，45N，一般的耐磨涂层也可采用B刻度或A刻度。 试样表面与背面平行，涂层表面光滑、洁净，每个试样至少测定5个压点，其中两个测点或任一测定点距试样边缘的距离不小于3mm，为了保证测试的准确性，涂层厚度应为压入深度的10倍以上。 （2）宏观硬度测量 宏观应力：因热膨胀系数差异而导致涂层中的残余应力为，不仅取决于热膨胀系数差异的大小，而且取决于薄膜/涂层制备时，基体温度的高低。 微观局部应力：由于相变、变形不均、涂层中的缺陷等因素引起的。 1.4 残余应力的测量 测量方法： X射线衍射仪 残余应力测量仪 应力应变仪测量 涂层的结合强度是指涂层与基体结合力的大小，即单位面积涂层从基体上剥落下来所需要的力。测量涂层结合强度的方法可分为两大类： 一类为定性检验，如弯曲试验、冲击试验、杯突试验等； 另一类为定量检验，如划痕试验、抗拉试验、压缩试验等。 1.5 涂层结合强度的测量 弯曲试验 　　弯曲试验通常为三点弯曲试验，其做法是将涂层试样置于一定距离的两个支点上，涂层面向支点，将一定曲率半径的压头作用于基体材料的中点，在一作用力下，试样发生弯曲，随着力的不断增大，涂层会开裂，直至从基体上剥离，弯曲角的大小说明涂层结合强度的大小。 拉伸测量法 拉伸测量法是使用粘结剂把棒状、板状或带状零件粘附在涂层表面，通过测量使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的结合强度。直接拉伸测量法，如图所示，圆形棒利用粘结剂垂直地粘贴在涂层表面，对涂层垂直施加拉力。若涂层剥离时的力为F，剥离的涂层面积为S，则涂层的结合强度为F/S。 剪切测量法 将一块金属板粘结在涂层表面并在施加垂直载荷的条件下，切向单拉金属板，将涂层由基片上剥离所需的力除以粘结面积可求得剪切应力值。此法由于使用了粘结剂，可测得涂层结合强度附着力范围受粘结剂强度所限，通常小于100MPa。 剪切测量法测量涂层结合强度 1-基片； 2-涂层； 3-粘结剂 涂层中孔隙率的多少直接影响到涂层的使用性能，对于大多数涂层来说，比如耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨涂层等，都要求涂层中的孔隙率越低越好，相反，对一些热障涂层和可磨耗密封涂层，则要求涂层中存在一定的孔隙率。因此，孔隙率是检验涂层合格的重要指标之一。 测量涂层中孔隙率的方法很多，主要有排水法、滤纸/涂膏法和金相分析法。 ?1.6 ?涂层孔隙率的检测 金相法 金相法是将涂层截面置于光学显微镜下，在一定放大倍数下观察或拍成显微照片，计算机对图象进行处理，定义一孔隙门槛值，将显微图片上某一衬度组织似为孔隙，计算