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镀层板料结合性能测试方法评价

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第4期(总第191期) 2015年O8月 机械工程与自动化 MECHANICAL ENGINEERING 8L AUT0MAT10N NO.4 Aug. 文章编号:1672—6413(2015)04—0219—02 镀层板料结合性能测试方法评价米 张小兵,刘伟成 (湖南:IL程学院工程训练中心,湖南 湘潭411101) 摘要:镀层材料由于其优良的性能,已经被广泛应用于各个领域。镀层结合强度是镀层质量的一个重要指 标,直接影响到镀层材料的使用性能。对目前常用的几种界面结合强度的测试方法进行了简单的介绍与探 讨,包括拉伸法、划痕法、压痕法和鼓包法,分析了各种方法的优缺点。 关键词:镀层材料}结合强度;测试方法 中图分类号:TG174.441 文献标识码:A O 引言 镀层技术已成为材料表面性能改善的一个重要途 径 ]。界面强度不好或镀层本身力学强度等参数达不 到要求均可能导致镀层失效。界面结合性能越好,意 味在相同的载荷情况下,镀层抵抗破坏的能力越强,从 而延长了产品的使用寿命。界面结合强度可分为拉伸 界面强度与剪切界面强度,目前,界面结合强度的表征 通常采用两种形式:①以力的形式,即镀层从基体分离 单位面积所需的最大力;②以能量或功的形式。界面 失效不是一个单纯的量,其与裂纹和缺陷等其他因素 均有关,采用界面结合能表征镀层/基底界面结合性能 更加符合实际情况_2]。 镀层材料已广泛应用于工业、民用等领域,人们对 界面强度的评价方法与指标进行了一系列的研究及探 讨。目前界面结合强度已成为评价镀层性能、质量的 重要指标 ]。实际上,目前在结合强度的评定与测 定过程中仍存在许多问题,有待进一步研究。本文对 目前常使用的结合强度测试技术与方法进行了归纳与 评价,旨在为从事表面工程研究和应用的人员提供一 点有益的参考。 1镀层结合强度测试方法 性基体、韧性镀层/韧性基体4类。镀层结合强度的测 试方法虽然有许多,但并没有一种标准的测试方法通 用于各种镀层,测试方法大致可分为定量(或半定量) 与定性测试两大类。由于镀层结合强度的复杂性,采 用定量检测较困难,早期普遍采用定性检测方法,通过 对镀层采用摩擦、变形和切割等方法,观察镀层是否被 破坏,从而定性地表征镀层的结合性能,每种方法有其 特点及其适用范围。常用的定性检测方法有锉刀法、 弯折法、冲击法、摩擦抛光法、划格法和热震法等,其主 要依靠技术人员经验判断,快速简单,不需要相应的设 备仪器,但结果粗糙,随机性比较大。随着镀层技术的 发展,一些定量、半定量的镀层结合强度测试方法得到 了广泛应用,常用的测试方法有拉伸法、划痕法、压痕 法和鼓包法等,以下对几种常用方法进行介绍与探讨。 1.1拉伸法 理想的测量界面结合性能的方法应至少满足二个 条件,一是要有合理、理想反映镀层失效的力学模型, 二是要准确反映镀层界面的力学参量__5]。除此以外测 试方法应当尽量简单,可无损检测,易于实现自动化和 标准化等。 根据基体与镀层材料性质,镀层体系可以分为脆 性镀层/脆性基体、脆性镀层/韧性基体、韧性镀层/脆 湖南科技厅应用基础研究计划项目(2013FJ3092) 收稿日期:2014—10—15;修订日期:2015—03—15 拉伸法采取的是在镀层的表面粘结一个可施加拉 力的联结体,由外力将基体和联结体拉开,根据力作用 形式可以将外力分为垂直力与平行力,所得的结合强 度分别为拉伸及剪切结合强度。拉伸法已成为一种简 单通用的界面强度测试方法,各国都制定了类似的试 验标准,比如ASTM(633—79)、JISH8664等。虽然拉 伸法具有操作简单、理论模型简单等优点,但拉伸法在 实际应用中具有一些局限性:①由于粘结剂的加入会 改变镀层本身的结合强度,从而影响测试结果的真实 性;②受到粘结剂抗拉强度的影响,只适于低中结合强 度i贝4量,测量的结合强度通常小于90 MPaE6 ;③在进 行拉伸时,可能会出现内聚性、粘结性断裂或是两种断 裂的混合性,因此结合强度测定值不纯真;④载荷方式 作者简介:张小兵(1978一),男,湖南衡阳人,讲师,在读博士研究生,从事材料方面的研究。 ・220・ 机械工程与自动化 2015年第4期 与镀层实际使用过程中加载方式有差异,因而镀层的 使用性能可能与测得的结合强度无直接关系。郑小玲 等_7 认为拉伸法利用镀层本身开裂特征来计算剪切强 度,适用于测定脆性薄镀层,特别是弹氏模量大于金属 基体的镀层,但存在测试值与界面结合强度的真实值 有较大差异的缺点。 1.2 I痕法 于界面开裂的现象,由于压头附近的应力较复杂,导致 理论建模时出现许多困难,很难利用现有的理论模型 精确计算出实际应力,通常采用有限元的方法,细划压 头区域网格来解决这一问题。近年纳米压痕技术的发 展以及相关理论模型的应用与探讨,为解决上述难题 提供了新的希望_l 。 总的来说,压痕法是一种较为直观的定性测量方 法,具有操作方便、测试效率高、试样制备简单等优点, 划痕法采用划针在镀层表面以一定速度划过,且 作用在镀层上的垂直力不断增加,以镀层从基体上脱 已在实际中得到广泛的应用。 落最小力为临界载荷,以此临界载荷来表征镀层的结 1.4 鼓包法 合强度。临界载荷的确定方法通常采用显微观察法、 1961年Dannenberg首先提出了此种方法,其测 电子探针法和声发射检测法等。划痕法对施加到镀层 试原理是:通过从基底中的小孔向粘附在上面的镀层 上的应力没有,能够保证镀层从基体上剥离,其定 施加压力从而使其从基底分离,通过从实验中所提取 量精度较高,可在较小的试样上获得可重复的结果,监 的数据,如界面分离时的临界压力、裂纹长度等,采用 测手段有多种形式,并已有商品化仪器,成为目前最常 相应理论模型推算出界面结合能。伍良龙等提出镀层 用、成熟的、有效测定界面结合能的一种方法【8]。近年 开裂时的压强和挠度的乘积与界面结合能呈线性关 来国内外学者对划痕法弹塑性变形理论模式、划痕失 系,且斜率随鼓包模型的孔径变化而变化。蒋丽梅通 效形式、临界载荷影响因素等进行了一系列研究。由 过有限元的方法研究了临界分离压力与界面结合强度 于划痕法失效模式多样化,通常是拉伸、脱落、剪切等 的关系,初步得到其函数关系式,并研究了基体与镀层 失效模式的综合,而且裂纹不一定在界面处产生,临界 的材料性能对临界分离压力的影响。 载荷受到镀层厚度、硬度及基体硬度等影响,并与试验 鼓包法测界面结合能具有操作简单、数据易得、理 的参数有关,因此临界载荷是镀层、基体系承载能力的 论模型可信等优势。但在实际应用中还是受到诸多因 综合反映,通过相关理论建立临界载荷与界面结合强 素的制约:首先,试样制作比较困难,近年微细加工技 度之间关联比较困难,目前并未见相对成熟的理论模 术的发展,明显提高了试样的尺寸精度,从而缓解了试 型,采用此种方法还有许多工作值得力学专家去研究。 样制备难的问题;其二,不适用于有残余压应力及镀层 在传统划痕法的基础上,近年出现了红外激光与远紫 太薄的试样;其三,当结合强度较高时,镀层分离时会 外线激光划痕法,其采用非接触的激光加载方式代替 产生塑性变形,而目前塑性变形阶段还没有较完善的力 传统的压头直接接触加载方式,对镀层表面、镀层厚度 学模型可用,则无法用鼓包法较准确地测量结合强度。 及试样的形状等均无要求,已发展成为一种新型实用 1.5其他测试方法 的检测技术凹j。 除上述介绍的一些方法外,通常用来定性评价镀 1.3 压痕法 层性能的方法还有弯曲法、剥离法、激光层裂法、电磁 压痕法采用逐级加载的方法使压头在镀层表面形 力法和超声波法等,每种方法在测量技术及力学计算 成压痕,当载荷不大时,镀层与基体同时变形,随着载 上都存在自身的问题,都有其优缺点及适应范围。比 荷的不断增加,镀层产生脱落或是形成环状裂纹,以出 如近年出现的激光层裂法,不受材料体系的影响,由于 现镀层脱落或环状裂纹的前一级载荷作为临界载荷的 其加载在非常高的应变率条件下,很大程度地压制了 评定标准。压痕法按照压头的作用位置可以分为表 基体与镀层的弹塑性行为;但激光层裂法测量的是动 面、侧面、界面压痕法3类。与划痕法相比,表面压痕 态结合强度,如何将动态强度换算成静态强度,目前并 法对基体硬度的变化不敏感,而且在进行压痕法测试 无相关理论,同时激光层裂法存在测试设备昂贵、操作 时,与镀层相关的其他一些参数也可以获得,比如镀层 复杂等缺点。 的弹氏模量、硬度和断裂韧性等,其通常用于弱结合界 2结论 面,由于易产生径向、环向裂纹,会造成计算出来的界 目前对镀层结合强度检测的研究主要是集中在研 面断裂韧性存在着很大的误差,不适合脆性镀层的测 发新的测试方法,完善现有的测试方法,包括载荷临界 试L】 。侧面压痕法利用侧向力与压人时间曲线的斜 值的确定、载荷临界值与真实结合强度的关系、镀层临 率突变来判断界面是否开裂,避免了表面压痕法中镀 界破坏的观察设备、各种方法理论模型的研究等。目 层直接接触载荷,使问题简单化;但由于加载过程中引 前界面强度的测试方法始终处在定性或者半定量的水 入了多重非线性过程,比如基体的大塑性变形以及脆 平,因此完善与研制操作简单、不破坏试样、自动化程 性镀层自身开裂,而且由于压头形状、压人点距离等试 度高,既能定性又能准确定量检测镀层结合性能的方 验影响因素,使得其测试过程的模型化相对复杂。界 法和仪器成为未来镀层技术的发展方向之一。 面压痕法直接将压头作用在界面上,不适合于薄镀层 的测试,在测试脆性镀层时,可能出现镀层本身开裂先 (参考文献和英文摘要转第223页) 2015年第4期 机械工程与自动化 ・ 223 ・ 控制策略对逆变器的响应速度有很高的要求,否则可 能对微电网运行造成不稳定的麻烦。倒下垂控制技术 性能好,稳定性能强,成本高,具有很大的发展潜力。 3.4其他控制策略 的控制理论体系已经大致建立,相关的试验平台和实 验室正在不断搭建中。相信在不断的努力下,微电网 的功率控制技术会日益完善,让我们的生活因微电网 而更精彩。 其他控制策略是在上述控制策略的基础上进行的 拓展,针对每个策略的不足加以改进,或者是将至少两 个策略的优点结合,形成了综合控制策略。文献E5]就 是针对倒下垂控制逆变器的电流控制型控制策略进行 参考文献: [1]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统 自动化,2。。 (19):100-107. 电网功率控制方法探究1'C] //Proceedings of '12]NNN. : 堂 = 量 苎 曼 电 华 。耐010 gI nt e r nat i on aml Ci。o nfserye nc me on。 er  . ‘。E lectroni c 。毗策略,增强了低压微电网系统的稳定性。文献[6]采 用倒下垂和下垂控制相结合的综合控制策略,在无通 信线路的情况下实现微电网的并网和从大电网中解列 的无缝切换,提高了微电网系统的可靠性和稳定性。 由于上述控制技术都有本身固有的缺陷,单独完 美实现微电网功率控制的难度大,可提升的空间相对 较小。综合控制技术可以将多种单独控制技术相结 sh h iversity 201o:536 -538. I-3]刘国敬,曹远志,吴福保,等分布式发电与微电网技术 ,.h。’ [J].农村电气化,2010(10):38—39. [4]陈达威,朱桂萍.低压微电网中的功率传输特性[J].电工 技术学报,2010(7):117—122,143. -I5]纪明伟,陈杰,栾庆磊・基于电流分解的微网功率控制策 略研究[n安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2009 宝:制 难  提 耋 篓 率 网发展的,一个好方向。但是,微电网综合控制技术起步 晚,技术还相对不是很成熟,需要专家学者的继续努力。 4结语 .的 暑 : 令 警1,6] 1 7 R_1 R, ET]李钢,赵静,姚振纪智能微电网的控制策略研究综述 .j ,杨淑英.基于电压源逆变器的微电网控制 吴  ̄~ ), 20 09”(1~1)” [J].电工电气,2012(1):1-4,18. 目前,微电网的功率控制技术还不是很成熟,基本 Discussion on Technology 0f Micro Grid Power (College of Machinery and Transportati0n,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China) Abstract:This paper summarizes the current situation of micro grid power contro1 technology,briefly reviews the development of micro grid controlled power system technology,expounds the concept and structure of micro grid.Based on the analysis on the characteristics of micro grid power,it comprehensively introduces the present situation of research and application of PQ control, droop control,inverse droop control and other control strategies in micro grid,respectively explains the various control modes. advantages and disadvantages,and the performance indexes of each contro1 mode are compared.According to the performance of the power grid and requirements,points out the present problems of micro grid power contro1 technology and the development trend in future. Key words:power control technology;PQ control;droop control;inverse droop control;micro grid (上接第220页) 参考文献: [1]段,高四,张伟.纳米碳孔金属化直接电镀技术[J]. 装备环境工程,2013(1):l14—117. [2]武良龙.金属薄膜材料界面结合能的表征及界面失效分 Science and Engineering A,1991,140(1):583—592. -I6]蔡继红.利用应力波测定涂层结合强度的研究[D].天津: 天津大学,2005:10—15. [7]郑小玲,游敏.拉伸法测定涂层界面强度的适用性研究 LJJ.粘结,2003,24(2):25—27. 析[D].湘潭:湘潭大学,2013:1—10.  I3 l Xia F F,Wu M H,Wang F,et a1.Nanocomposite Ni—TiN coatings prepared by ultrasonic electrodeposition[J]. Current Applied Physics,2009,9:44—47. [4] Zhang H,I i D Y.Determination of interfacial bonding strength using a cantilever bending method with in situ 1-8]冯爱新,张永康,谢华琨,等.划痕试验法表征薄膜涂层界 面结合强度[J].江苏大学学报,2003,24(2):15—19. [9] 曹宇鹏.界面结合性能激光划痕检测方法优化与实验研 究VD].镇江:江苏大学,2010:15—25. [-lO]简小刚,孙方宏,赵国伟,等.金刚石薄膜膜基界面结合强 度测量技术的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程, 2002,129(3):3-7. monitoring acoustic emission l J 1.Surf Coat Technol, 2002,155:190—194. 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