第7章 涂(膜)层质量检测2

表面涂（膜）层质量检测技术（下）7.6涂（膜）层表面粗糙度的检验涂（膜）层表面粗糙度测定法的分类样板对照法显微镜调焦法和触针法散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法1涂（膜）层表面粗糙度测定法的分类表面粗糙度——指表面微观不平度高度的算术平均值对机械加工的精度要求日益提高，这首先表现在对表面质量的要求上。对于半导体掩膜、磁盘、宇宙空间用光学镜片，X射线望远镜、环形激光陀螺，均已提出高精度的测量表面粗糙度的均方根值在1nm以内的要求涂（膜）层表面粗糙度测定法的分类表面粗糙度测量法接触法非接触法指针式光学式SEM、静电容量式、STM间接法：光散射法、斑纹图形法直接法：光切断法、光干涉法、焦点移距涂（膜）层表面粗糙度测定法的分类STMSEM触针式光干涉（外差式）光切断光干涉（二光束干涉）斑纹图形光干涉（微分干涉）焦点移距光干涉（多光束干涉）涂（膜）层表面粗糙度测定法的分类国标GB3505-83规定表面粗糙度参数：与微观不平度高度有关的参数——幅值参数，对表面粗糙度表示的最通常方法（用触针法测得）与微观不平度间距有关的参数与微观不平度形状有关的参数2样板对照法样板对照法属于比较法最简单的一种方法是在双方同意下，用在有效期限内的实物或标准样板，用凭触（如指甲）和肉眼（可借助于放大镜，比较显微镜）作对比测定样板对照法ISO表面粗糙度比较样块（ISO8503/1）法喷射磨料清理后的钢材表面都会形成难以描述的无规则的凸起和凹陷特征，该标准采用ISO表面粗糙度比较样块以直观或触摸方式进行比较的方式判定喷射清理过的表面粗糙度样板对照法ISO表面粗糙度比较样块→在ISO8503中，指定两块比较样块，一块对应使用磨料进行喷砂处理的表面（比较样块G），一块对应金属砂磨粒进行喷丸处理的表面（比较样块S）对表面轮廓的一般评估，分为三个等级：细级、中级、粗级。3显微镜调焦法和触针法显微镜调焦法测量表面粗糙度置待测试样表面于一合适的显微镜下，调节物镜（或置物台），首先聚焦于视野内的最高峰点，然后再移动物镜，聚焦于同一视野内的最低谷点。物镜移动的距离即为该视野内最大峰-谷高度hy在被测面上不同点进行重复测量，即可得到一组hy值，从而可以计算得到平均最大峰-谷高度显微镜调焦法和触针法触针式轮廓仪测量法属于接触测量法其类型有：机械式、电动式、光电式电动式——具有体积小、重量轻、倍率高、测量迅速方便，并能直接显示Ra示值（中心线平均粗度）等优点，所以被广泛引用，国产的有“2201”型和“GCN-2”型粗度仪显微镜调焦法和触针法电动式触针轮廓仪工作原理电动轮廓仪是通过仪器的触针与被测表面的滑移进行测量的，是接触测量。其主要优点是可以直接测量某些难以测量到的零件表面，如孔、槽等的表面粗糙度，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面轮廓曲线的形状，且测量速度快、结果可靠、操作方便。但是被测表面容易被触针划伤，为此应在保证可靠接触的前提下尽量减少测量压力。电动轮廓仪按传感器的工作原理分为电感式、感应式以及压电式多种。仪器由传感器、驱动箱、电器箱等三个基本部件组成。显微镜调焦法和触针法上图为电动式触针轮廓仪的结构示意图传感器的触针由金刚石制成，针尖圆弧半径为2微米，在触针的后端镶有导块，形成一条相对于工件表面宏观起伏的测量的基准，使触针的位移仅相对于传感器壳体上下运动，所以导块能起到消除宏观几何形状误差和减小纹波度对表面粗糙度测量结果的影响。传感器以铰链形式和驱动箱连接，能自由下落，从而保证导块始终与被测表面接触。4散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法散斑法带有相差并且相干的二次球面子波相遇产生了强度分布为粒状的斑纹，称为散斑。通过包括对光学系统信号分析的激光散斑粗糙度计，可很快测量试件图像散斑的平均对比度，测量原理如下图所示。散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法散斑法原理图散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法由激光器L2发出的光束经反射镜M反射后，由扩束系统L0扩展为一束平行光。经过光栏P1，由聚光镜汇聚到试件P2上。一个粗糙表面受局部相干的光束照射，其反射光束呈现由亮暗点组成的散斑图案。测量时，试件P2沿箭头方向移动，反射光斑径小孔P3后，由光电管P0接收，然后送信号分析系统处理。散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法在一定范围内散斑对比度和表面粗糙度之间存在线性关系，如图所示。散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法散斑法优缺点散斑法可以用于表面粗糙度的在线测量，振动对测量结果的影响降低了很多，并且，可以获得比较好的粗糙度分辨率。但是，这种方法不能获得被测表面的轮廓，不能用于非高斯分布的表面粗糙度测量。散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。散斑法和扫描隧道显微镜（SIM）法散斑法和扫描隧道显微镜（STM）法一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机（测量软件和数据处理软件）三大部分组成。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如原理图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。散斑法和扫描隧道显微镜（STM）法触针法、光学法、STM法比较7.7涂（膜）层的硬度检测概述直接硬度测量间接硬度测量硬度测量技术的比较应用1概述硬度——是涂层材料抵抗外来物体挤压变形的能力，或者说是涂层材料对塑性变形、划痕、磨损等的抵抗力涂（膜）层硬度检测，应尽量减小压痕的大小以保证测量涂层硬度的准确度，减少基体材料对硬度的影响测量涂（膜）层硬度的两种方法：直接方法、间接方法概述概述直接方法使用常规的显微硬度仪（即负荷位于5~200g范围）可以直接地测量涂层硬度，提供的压痕深度近似地为t/10，t是涂层厚度，用维氏硬度试验压头。如果压痕深度非常的小，则使用特殊的深度敏感硬度试验仪（毫微米压头）或采用模拟近似。直接测量能在涂层表面或金相截面上进行，从涂层表面或金相截面上测量的硬度值有可能相差较大，这是涂层微观结构各向异性的缘故概述间接方法能应用模拟近似确定薄膜涂层的硬度和压痕尺寸效应（ISE），但基体将影响测量的硬度在进行显微硬度试验时，特别采用微小负荷时，所得压痕对角线长度与试验负荷之比不再是常数，显微硬度值与负荷之间存在一定的依存关系，该特性成为显微硬度的负荷依存性，这就是压痕尺寸效应（ISE）2直接硬度测量硬度检验是在给定的负荷下，用已知几何形状的压头压入涂层表面上，在压头作用下剪切应力扩展大到足够引起涂层表面局部凹陷，卸除负荷，然后测量压痕对角线长度通常使用维氏、努氏两种形式压头进行涂层材料硬度检测直接硬度测量直接硬度测量对于维氏锥形压头，硬度——单位压痕表面积的负荷值（C=1.854）对于努氏压头，硬度——单位压痕投影面积的负荷值（C=1.423）硬度

H=CP/d2P——负荷（kg）D——测量的压痕对角线长度（mm）C——常数直接硬度测量对于脆性涂层材料当印痕尺寸减小（即负荷减小）时测量的硬度值增加，即硬度值的负荷依存性；这就是压痕效应和弹性恢复效应，同时也存在工作硬化层效应、晶粒边界减小效应等其它因素的组合效应。一般硬度可表示为H=Kdm-2K——常数M——压痕尺寸效应（ISE）指数3间接硬度测量约翰逊和贺马克提出混合面积法则——近似模拟出合成硬度Hc混合体积法则4硬度测量技术的比较5应用电镀层的硬度测量显微硬度法维氏硬度计算公式HV=1854P/d2喷涂层的硬度测量应用涂（膜）层硬度测量标准ISO4516-80金属和有关覆盖层维氏硬度计和努氏显微硬度试验ISO4518-80金属覆盖层镀层硬度的测量表面粗糙度轮廓仪法GB9790-88金属覆盖层及其它有关覆盖层维氏硬度和努氏硬度试验……7.8涂（膜）层结合强度的检测概述结合力理想的结合力检验要求结合力测量应用1概述在任何涂（膜）层的应用中，保证其与基体具有足够的结合强度，是最基本的要求影响涂（膜）层与基体结合强度的因素很多，一般而言，涂（膜）层材料的高破断韧性、低应力和低应力梯度、良好的界面接触、无活性衰变机制出现将有利于获得高结合强度反之，涂（膜）层材料的低破断韧性、高内应力、高内应力梯度低化学结合度、不良的界面接触、活性衰变机制的出现将导致低结合强度2结合力涂（膜）层与基体的结合强度，可以采用使涂（膜）层与基体分离开所需的力，即结合力来量度结合力——两个表面依靠界面力保持界面上各处键合强度已达到的程度的一种计量，界面力是由价键力或连锁力或二者所构成（ASTMD907-70）结合力可能是范德瓦尔斯力、静电力、或经过涂（膜）层-基体的化学结合力结合力BA——涂（膜）层与基体结合力的理论值EA——实验或实际结合力，它受检验形式、膜中残余应力大小或界面裂缝分布等因素的影响，所以EA<<BA勃克尔定义：EA<<BA-IS±MSMIS——内应力MSM——特征误差由于对每一个测量技术的测量误差大小不能估计，因而理论结合力一般不能确定结合力结合力能用两种方式进行实验测量测量力——测量涂层从它的基体上分离单位面积所需要的最小力测量能量——测量涂层（A）从它的基体（B）上分离开所作的功WABWAB=γA+γB-γABγA和γB——组成A和B的特征表面自由能γAB——特征界面自由能结合力一般总结合力与结合力的功有关，作一些力随表面分离开而改变的假设，如果破坏发生在界面AB，涂层粘附力（即结合力）失效另外如果破坏发生在A或B内，涂层与基体的粘聚失效结合力结合力膜基体界面结合脱附力机理脆性延展性好差膜开裂-无脱附力膜开裂-界面脱附力延展性脆性好差基体边缘脱附力界面边缘脱附力延展性延展性好差膜/基体分裂-基体脱附力界面边缘脱附力脆性脆性差界面边缘脱附力（较高膜韧性）膜开裂-界面脱附力薄膜张力失效形式结合力膜基体界面结合脱附力机理脆性延展性好差膜中皱纹传播界面上皱纹传播延展性/脆性脆性好差基体分裂界面上皱纹传播延展性延展性好差无脱附力界面上皱纹传播薄膜压缩力失效形式3理想的结合力检验要求理想的结合力检验需考虑下列因素非破坏性适用于复杂形状涂（膜）层的常规检验完成检验和解释结果较简单适合于标准化和自动化可重复性定量直接关系到特殊应用中涂层的可靠性理想的结合力检验要求虽然结合力检验的方式有很多，但它们之中没有一个可以看作是理想的目前采用的检验方法中没有一种方法能具有上述全部属性，大多数通常采用的检验方法本质上都是破坏性的，显然找到一种非破坏性检验方法，它既具有一定理论标准又必须是最有用的检验方法是困难的4结合力测量结合力检验方法分三类核方法根据成核速率、分立物密度、沉积原子的临界凝聚和滞留时间来测量。此检验方法需要用精密的电子显微镜来进行测量，结果分析较困难，不适合于常规检验。混合方法在这些检验方法中是从一些间接检验方法如X射线衍射、热循环或电容测量的结果中推导出结合力。结合力测量机械方法结合力是用一个力加到涂层-基体系统来确定的。在拉拔检验方法中这个力可能是法线方向加到界面上，而在剪切应力检验方法中，力是平行方向加到界面上。另外，在压痕、划痕和激光剥离检验方法中，这个力可用机械触针作用到涂层-基体系统中。上述三种方法中机械方法是最实际的结合力测量下面是较常用的划痕检验，它是目前最广泛应用的方法拉拔方法冲击波方法压痕方法划痕结合力检验方法结合力测量I. 拉拔方法有几种检验技术是根据涂层同基体结合的形成而设计的，加一个垂直于涂层-基体的界面来确定实际的结合力数值。可是这种检验具有许多下述困难而降低这种检验方法的用途简单的张力检验完成困难，因为试验时大部分是张应力和剪切应力的复杂混合作用，使得结果解释困难必须做到完全保证均匀负荷经过界面用这种方法检测结合强度大小限制在65和90MPa之间粘合剂或溶剂穿透涂层浸渗到膜-基体的界面是可能的结合力测量评价结合力的拉拔方法中大多数通常采用胶带检验，压力灵敏度胶带粘着涂层表面，加一个力拉拔涂层以确定涂层-基体的结合力。本质上这是一种定型检验，仅适合于弱结合涂层，因为胶带的粘合强度在20MPa左右。在切向剪切力方法中，使涂层分离开的负荷需平行的加入到涂层-基体界面上。虽然本检验方法遭受到其它的拉拔检验相同限制，但它具有下述的一些优点：避免基体严重形变膜嗤合面积大，于是应力集中小它接近于名义上的纯剪切力测量冲击波方法结合力测量II. 冲击波方法用机械激励方式作用到涂层-基体系统，采用冲击波负荷技术使涂层从基体脱离，该技术是用激光冲击到涂层或基体上实现为了对冲击波检验给出有用的结合力测量，测量前要估计到使得涂层脱离起决定影响的涂层-基体界面的预存裂缝必须足够的大，便于实际的试验条件下能测量出。一般这些预存裂缝太小，冲击波检验仅同其它结合力检验（即压痕感应脱离）结合在一起才能确定到有用的结果结合力测量III. 压痕方法在压痕结合力检验中借助于一般硬度压头，使用维氏和洛氏C压头，在涂层-基体界面产生一条机械稳定的裂纹，沿着界面裂纹的传播阻力被用来评定涂层的结合力结合力大小与抗破断力、残余应力和界面缺陷分别等组合因素有关检验是根据假设界面的韧性比涂层或基体都低的情形下进行的，于是在压痕检验期间横向裂纹按择优部位传播。当破断在界面不产生时，得出结论是界面韧性至少低于涂（膜）层或基体结合力测量结合力测量由吉达等使用的压痕检验原理图→界面破断韧性KIi=[GIiEC/(1-νC2)]1/2EC和νC——涂层的相氏模量和泊松比值GIi——裂纹驱动力结合力测量IV. 划痕结合力检验方法对于涂层结合力，尤硬涂层-基体系统的结合力所有实用检验方法中，仅划痕检验取得广泛的应用。在划痕检验中，触针（通常是洛氏C金刚石）在分段或连接增加的法向力作用下划过试样表面直到涂层脱离为止。实际中膜很难从触针通道中整个的去掉，为了方便，通常是沿着整个通道长度以规则方式去掉涂层的负荷定义为临界负荷Lc，它与涂层结合力有关，然而，由于涂层-基体界面裂缝分布事实所致，在较低负荷下涂层呈孤立的一部分分离开，临界负荷可能附带主观因素结合力测量临界负荷Lc确定主要有下述4种方法显微观察法——用反射光或SEM对划痕进行观察，以出现涂层开裂或脱离的最小负荷为临界负荷Lc电子探针法——用电子探针对划痕沟槽进行化学分析，如测得的为基体成分，表面涂层已划破，在划痕方向开始划破处的负荷为Lc用声发射监测——以出现第一个突出性信号时的负荷为临界负荷Lc

，不同负荷对应的声发射信号不同切向摩擦力法——在线性增加的负荷作用下进行划痕实验时，可通过切向摩擦力测量法求Lc结合力测量用声发射监测→临界负荷Lc=4N结合力测量皮加铭和魏维尔使用全塑性压痕理论进行的划痕检验划痕结合力检验表示为三种分量之和：一种压痕项、一种内应力项和一种摩擦项，摩擦项表示为三个摩擦分量之和：一种犁型分量，一种内应力分量和一种结合力分量结合力测量固有参数外来参数加负荷速率划痕速率压头尖半径压头磨损机械因素基体性质基体硬度基体魔力基体热膨胀系数基体表面粗糙度涂层性质涂层硬度涂层模量涂层脆性涂层应力和界面性质涂层表面粗糙度摩擦力和摩擦系数摩擦表面条件和检验环境在划痕检验方法中使涂层脱离的临界负荷的影响因素5应用电镀层采用机械剥离试验法P=F/SP——镀层结合强度（N/mm2）F——镀层自基体剥离所需的力（N）S——镀层与基体结合面积（mm2）试样制作过程如图应用应用涂层采用拉拔试验法测定结合强度7.9涂（膜）层的内应力和应变的检测概述电镀层内应力的测定喷涂层内应力的测定X射线衍射分析测定内应力的方法1概述在涂（膜）层工件中当外力撤除以后仍处于受力的状态，这种在外力消失时仍被保留在物体内部的应力，成为内应力内应力产生的基本原因可以归纳为3条：由外力或温度引起的不均匀塑性变形由组织变化的比容差由各种表面处理（如渗氮）所引起的心表比容差概述电镀层有宏观应力和微观应力两类宏观应力能引起镀层在储存、使用过程中产生气泡、开裂、剥落等现象，在外力作用时还能引起应力腐蚀和降低抗疲劳强度等。微观应力在相当短的距离内，从张应力变为压应力，它主要影响镀层的硬度。概述喷涂层中经常遇到压应力和张应力它使涂层开裂或从基体上剥离开，对薄基体，喷涂层可能引起形变在机械应力作用下涂层结合强度的损失是由于张应力、压应力或剪切应力在涂层和基体之间界面或附近区域产生材料形变和破断因此，在基体涂覆涂层后测量涂层的内应力是重要的2电镀层内应力的测定挠度法螺旋收缩仪法电阻应变法挠度法挠度法往往作为镀层内应力的定性实验方法。测试时，将120×8×0.2mm的纯铜试片，在700℃下退火40min