鋅漆薄膜/2Cr13不銹鋼基體薄膜裂紋間距與厚度關系

王成龍　孫　浩　李明瑋　楊　健

(河海大學 土木與交通學院， 南京　210098)

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鋅漆薄膜/2Cr13不銹鋼基體薄膜裂紋間距與厚度關系

王成龍孫浩李明瑋楊健

(河海大學 土木與交通學院， 南京210098)

以鋅漆薄膜/2Cr13不銹鋼基體材料為對象，采用拉伸試驗與理論分析相結合的方法，研究了不銹鋼基體薄膜裂紋間距與厚度關系以及薄膜臨界厚度問題．研究結果表明：張拉應變一定時，薄膜存在一個臨界厚度．當薄膜厚度小于該臨界厚度時，薄膜中不會有裂紋產生，應變越大，臨界厚度越小；當薄膜厚度大于臨界值時，隨著薄膜厚度增加，薄膜裂紋間距也隨之增大，二者近似線性相關．對于同一薄膜厚度，隨著拉伸荷載持續增加，新裂紋不斷出現，裂紋間距不斷減小．最終表面裂紋達到飽和狀態，裂紋分布呈周期性．

薄膜/不銹鋼基體；拉伸試驗；周期性裂紋；臨界厚度；裂紋間距

大跨度斜拉橋是現代主要橋型，作為斜拉橋主要承重構件，纜索使用壽命對橋梁的安全使用意義重大．為防止纜索腐蝕而大幅降低承載力，一般在纜索表面鍍一層保護膜．索體鋼絲與表面鍍層共同組成了一個薄膜/基體系統．目前國內外學者對于薄膜機理，特別是薄膜斷裂問題做了大量的研究，并取得了許多突破性的成果．自1980年以來，對于薄膜斷裂性能的研究，斷裂力學被廣泛運用于分析在彈性或者塑性基體上的薄膜失效問題[1-5]．對于不銹鋼韌性基底上鍍鋅膜而言，破壞形式主要有二:其一薄膜的斷裂與龜裂；其二薄膜與基體的分層與脫粘．由于薄膜的失效，會導致膜/基系統可靠度降低甚至影響基體壽命．因此對薄膜力學性能及開裂問題的研究顯得尤為重要[6-7]．

對于膜/基系統，由于溫度變化、外力等因素作用導致薄膜出現拉應力，當拉應力超過臨界值時，薄膜中會產生一系列垂直于界面的周期性裂紋．隨著拉應力持續增加，新的裂紋會不斷出現，直到裂紋間距達到飽和狀態[8-9]．該機理被廣泛運用于計算界面抗剪強度[10-11]、薄膜彈性模量和斷裂韌性[12-13]．眾多學者運用試驗方法研究薄膜斷裂性能與薄膜幾何特征、膜/基力學特性以及界面條件關系[14-15]．附著于基體的薄膜在相同應力下，其裂紋間距與薄膜厚度有一定的關系．在一定拉力作用下通過控制薄膜的厚度，可有效防止薄膜因拉應力而產生裂紋．因此研究薄膜周期裂紋間距與厚度間的關系對于纜索薄膜/基體系統具有重要意義．

本文采用拉伸試驗與理論分析相結合的方法，研究在不同的拉應變下，薄膜厚度對于薄膜周期性裂紋間距的影響，并對薄膜臨界厚度和拉應力的關系進行了研究．

1　試驗工況

鋅漆薄膜/不銹鋼基體的制作方法是在不銹鋼基體上涂刷含高鋅量的冷鍍鋅漆，選取厚度符合需要的試樣．此處試件采用矩形截面．選取2Cr13不銹鋼作為基體尺寸為25 mm×10 mm×3 mm．在基體的一個25 mm×10 mm面上涂刷鋅漆涂層，如圖1所示．涂層厚度分別有80 μm、120 μm、160 μm、200 μm和240 μm 5種．拉伸試驗在萬能試驗機上進行，如圖2所示．具體加載時，控制試件應變分別為0.4%、0.5%、0.6%、0.8%和1%五種．具體試驗工況見表1．由于鋅漆薄膜/2Cr13不銹鋼基體薄膜貫通裂紋可以達到一個穩態，可將其簡化為二維平面問題進行分析．

圖1　附著涂層的拉伸試件　　　圖2　試件拉伸試驗

基體尺寸薄膜厚度/m拉伸應變/%試件個數編號250mm×10mm×3mm2400.431-30.534-60.637-90.8310-121.0313-15

續表1　拉伸試驗工況

膜/基結合體系在拉伸荷載作用下，當薄膜應力達到臨界值時，裂紋首先在薄膜缺陷處產生并擴展至界面．隨著荷載的增加，兩條平行的表面裂紋之間會產生新的裂紋，隨著載荷的增加裂紋數量增加，直至達到飽和．試驗時，通過顯微鏡測量一段距離內裂紋的條數來計算薄膜裂紋間距．拉伸實驗用到的萬能試驗機型號為CSS44100，通過夾具將試件兩端夾緊，兩夾具之間的距離為200 mm．采用位移加載方式，加載速度為0.4 mm/min．加載過程中，始終認為薄膜與基體的縱向應變相同，即為拉伸位移與夾具距離的比值．加載后，薄膜/基體試件會產生一系列薄膜表面垂直裂紋，且這些裂紋間距有一定規律，可近似為周期性．如圖3，顯微鏡觀測圖顯示了試件加載后在薄膜中產生的一系列周期裂紋．

圖3　試件拉伸后的薄膜周期裂紋顯微鏡觀測照片

2　試驗結果與分析

分別對0.4%、0.5%、0.6%、0.8%和1% 5種應變下，薄膜周期裂紋間距進行分析，得出裂紋間距與薄膜厚度的一些關系．各應變下的試驗結果見表2．

表2　試件各應變下不同薄膜厚度對應的裂紋間距

試件拉伸應變為0.4%時，只有薄膜厚度為240 μm和200 μm兩種膜/基試件會產生周期薄膜裂紋．而薄膜厚度小于200 μm的三種膜/基試件并未產生周期裂紋，這說明在應變為0.4%時，對應薄膜厚度為160 μm、120 μm和80 μm的試件并未達到薄膜臨界應變，這也進一步說明薄膜張拉強度不僅取決于材料本身的屬性，還與薄膜厚度有關．拉伸應變為0.5%和0.6%時，對于薄膜厚度為240 μm、200 μm和160 μm的試件，均產生了周期裂紋，對于薄膜厚度為120 μm和80 μm的試件，均未產生周期裂紋，即未達到薄膜臨界應變．

拉伸應變為0.6%、0.8%和1.0%時薄膜周期裂紋間距與薄膜厚度的關系曲線分別如圖4(a)、(b)和(c)所示，圖中λ表示裂紋間距，h表示薄膜厚度．圖4中不論理論解答[7]還是試驗結果都表明：(a)在同樣的應變下，當薄膜厚度大于臨界厚度時，隨著薄膜厚度的增大，薄膜周期裂紋間距也變得越大；二者接近線性關系且薄膜存在一個臨界厚度，當薄膜厚度小于該臨界厚度時，薄膜中不會有周期裂紋產生．如應變為0.6%情況下，臨界厚度介于800 μm到120 μm之間．而應變為0.8%和1%的情況下，臨界厚度均小于80 μm；(b)在同一薄膜厚度下，隨著拉應變增加，薄膜周期裂紋間距會變得越小；(c)拉應變大于0.8%、厚度大于160 μm，試驗值和理論中吻合較好．對于同一厚度的薄膜，一次裂紋萌生后，對于同一厚度的薄膜隨著拉伸荷載的不斷增加，也會不斷產生新的裂紋，使裂紋間距不斷減小．

圖5顯示了240 μm厚薄膜裂紋間距隨荷載變化的曲線圖．當然，實際裂紋開裂時，裂紋間距的變化并不是一條密實的曲線，而是一個個離散的點．當兩條裂紋之間的薄膜在缺陷處其能量釋放率大于薄膜斷裂韌性時，就會在該處產生新的裂紋．然而，實際情況下薄膜上的一系列裂紋并不是嚴格意義上的周期裂紋，因此，對已有裂紋而言，新生裂紋并非在同一時刻產生．

圖4　裂紋間距與薄膜厚度的關系

由圖5可以發現，隨著荷載不斷增加，薄膜中新表面裂紋持續產生，但表面裂紋最終會達到一個飽和值．若此時荷載繼續增加，將沿著薄膜與基體界面產生裂紋．

圖5　240 μm厚薄膜裂紋間距隨應變變化的曲線圖

圖6　彈性基體情況下薄膜臨界斷裂強度與裂紋間距和薄膜厚度比的關系

3　薄膜臨界厚度的分析

關于薄膜臨界厚度，前面已經提到，即給定薄膜斷裂韌性和張拉應力，存在一個臨界厚度，當薄膜的厚度小于該臨界厚度時，在薄膜中不會有裂紋產生．臨界厚度[13]根據已有公式可表示為

從上式可以看出，薄膜臨界厚度與薄膜斷裂韌性和參數c成正比，可知基體彈性模量越小，臨界厚度也就越小．圖7為薄膜臨界厚度與薄膜拉伸應變之間的相互關系．可以看出，薄膜臨界厚度與拉伸應變呈雙曲線關系，應變越大，臨界厚度越小，εcr值小于0.5%時，隨著應變的增大臨界厚度急劇減小，εcr值大于1.5%時，漸漸趨緩．分別計算薄膜應變為0.4%、0.5%、0.6%、0.8%和1%下薄膜的臨界厚度，計算結果示于表3．與前面的試驗結果進行比較，如應變為0.4%時，200 μm厚度的薄膜出現裂紋，而160 μm厚度的薄膜未出現裂紋，與理論計算結果有出入；應變為0.5%時，160 μm厚度薄膜出現裂紋，而120 μm厚度薄膜未出現裂紋，與理論計算結果吻合；應變0.6%情況下，臨界厚度在120 μm和80 μm之間，試件結果與理論結果相吻合；應變為0.75%和1%的情況，在80 μm后薄膜上均已出現裂紋，臨界厚度應小于80 μm，試驗結果與理論結果也基本吻合．從表中還可看出，薄膜臨界厚度隨拉力的增大而不斷減小．

圖7　薄膜臨界厚度與薄膜拉伸應變的相互關系

應變/%0.40.50.60.81.0臨界厚度/m2281461016536

4　結　論

本文對不同薄膜厚度的鋅漆薄膜/2Cr13不銹鋼基體進行了拉伸試驗，分析了薄膜厚度與裂紋間距的相互關系，并對薄膜的臨界厚度問題進行了研究．得出以下結論：

1)張拉應變一定時，薄膜存在一個臨界厚度．當薄膜厚度小于該臨界厚度時，薄膜中不會有裂紋產生．應變越大，臨界厚度越小．通過對比，發現試驗結果與理論結果基本吻合．

2)在相同張拉應變下，當薄膜厚度大于臨界厚度時，隨著薄膜厚度的增大，薄膜周期裂紋間距也有增大趨勢，二者幾乎呈線性關系．

3)同一厚度的薄膜，一次裂紋萌生后，隨著拉伸荷載的不斷增加，會不斷產生新的裂紋，使裂紋間距不斷減小．最終薄膜表面裂紋會達到飽和，裂紋間距分布呈周期性，轉而產生薄膜與基體之間的界面裂紋．

4)利用臨界厚度理論公式計算出不同拉應變下的鋅漆薄膜臨界厚度，分析得出試驗結果與理論結果吻合，薄膜臨界厚度隨拉力的增大而不斷減少．

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[責任編輯周文凱]

Relation Between Film Crack Spacing and Thickness for a Zinc Paint Film Bonded to 2Cr13 Stainless Steel Substrate

Wang ChenglongSun HaoLi MingweiYang Jian

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Naijing 210098, China)

A tensile experiment with theoretical analysis is carried out to investigate the relation between crack spacing and film thickness and analyze film critical thickness of the zinc paint film bonded to 2Cr13 stainless steel substrate. The results show that under a certain tensile strain, a critical thickness exists. When the film thickness is less than the critical thickness, a crack fails to initiate. With the increasing tensile strain, critical thickness becomes smaller. When the film thickness is larger than the critical thickness, with the increasing film thickness, the crack spacing also becomes larger and approximate linear correlation. For the same film thickness, additional cracks will form and crack spacing decreases continuously if the tensile stress increases. Finally, the saturation spacing is reached and cracks distribute periodically.

film/stainless steel substrate;tension test;periodic cracks;critical thickness;crack spacing

2016-03-22

王成龍(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為橋梁纜索鍍層開裂機理．E-mail： 1054158346@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.011

TU392.2

A

1672-948X(2016)04-0051-04