劃痕試驗：材料表面力學性能的“探針”

核心原理與目的

劃痕試驗是一種模擬接觸磨損的力學測試方法。其核心在于：使用特定形狀（常見為球形或錐形金剛石）的壓頭，以可控的垂直載荷（法向力）壓入材料表面，同時驅動樣品或壓頭水平移動，在材料表面制造一道劃痕。通過實時監測或后續分析劃痕形貌及測試過程中的信號（如摩擦力、聲發射），評估材料表面的多種關鍵性能：

• 附著強度： 尤其適用于薄膜/涂層系統，確定涂層從基體上剝離所需的臨界載荷。
• 表面硬度與韌性： 反映材料抵抗塑性變形和開裂的能力。
• 耐磨性： 定性或半定量地比較材料抵抗劃傷和磨損的潛力。
• 脆性/延性行為： 觀察劃痕邊緣及內部的裂紋模式（脆性斷裂或塑性犁溝）。
• 內聚強度： 評估材料本體（如塊體材料或涂層本身）抵抗內部破壞的能力。

核心測試流程與方法

1. 樣品準備： 待測樣品表面需清潔、平整。薄膜/涂層樣品需明確涂層類型、厚度及制備工藝。
2. 壓頭選擇： 金剛石壓頭是標準配置，其尖端半徑（如50μm, 100μm, 200μm）和角度需根據測試需求（如期望的劃痕深度、材料硬度）選擇。
3. 載荷模式設定：
   • 恒定載荷： 整個劃痕過程法向載荷保持不變，用于評估特定載荷下的材料響應。
   • 連續遞增載荷： 法向載荷從起始值（通常幾毫牛）線性增加至最大值（可達幾十牛）。這是評估涂層附著力臨界載荷的標準方法。壓頭劃過一段距離，載荷相應增加一段。
4. 劃痕過程與監測：
   • 壓頭在設定載荷模式下劃過樣品表面。
   • 同步采集法向載荷、摩擦力（或橫向力）、壓頭位移（深度）、聲發射信號等數據。
   • 高倍率光學顯微鏡或在線顯微成像系統實時觀察劃痕過程。
5. 劃痕后分析：
   • 光學顯微鏡/掃描電子顯微鏡觀察： 詳細檢查劃痕形貌，識別失效模式（如涂層剝落、開裂、塑性變形、基體暴露）。
   • 輪廓儀測量： 精確測量劃痕的寬度、深度及截面輪廓，計算材料損失體積等。
   • 臨界載荷確定： 在遞增載荷測試中，結合摩擦力曲線突變點、聲發射信號峰值以及顯微觀察到的首次涂層失效位置，確定臨界載荷。常用的定義包括：
     • Lc1： 涂層出現第一條環形彎曲裂紋。
     • Lc2： 涂層開始從基體剝離（通常伴隨摩擦力陡增）。
     • Lc3： 涂層完全剝離，大面積基體暴露。

核心應用領域

• 硬質與防護涂層： 評估類金剛石、氮化鈦、氧化鋁等薄膜在刀具、模具、精密零件上的附著力和耐磨性。
• 功能薄膜材料： 測試光學薄膜、裝飾性鍍層、半導體薄膜等的機械可靠性。
• 聚合物與高分子材料： 研究塑料、涂料、封裝材料的抗劃傷性、表面硬度和摩擦行為。
• 金屬與陶瓷材料： 比較不同合金、陶瓷的表面力學性能（微劃痕）或評估其耐磨性。
• 生物材料： 表征植入體表面涂層（如羥基磷灰石）的附著強度或在體液環境下的耐磨性能。
• 材料研發與質量控制： 篩選新材料配方、優化工藝參數、確保產品批次間性能一致性。

結果解讀與關鍵參數

• 臨界載荷： 是評價附著力的核心量化指標。數值越高，通常表示附著力越強（需結合失效模式分析）。
• 摩擦力/摩擦系數： 反映劃痕過程中的阻力變化。涂層剝離通常伴隨摩擦力的突然升高。
• 聲發射信號： 材料內部發生開裂、剝離等脆性失效時，會釋放彈性波，產生聲發射信號峰值。
• 劃痕形貌：
  • 塑性犁溝： 材料被推向兩側形成隆起，無裂紋，表明延性行為。
  • 脆性斷裂： 出現邊緣裂紋、中間裂紋、魚鱗狀剝落（碎屑）等。
  • 剝落： 涂層大面積從基體分離。
  • 圖1：典型劃痕形貌與失效模式示意圖 (此處應配示意圖，展示犁溝、Lc1環形裂紋、Lc2剝落起點、Lc3完全剝落)。
• 劃痕寬度與深度： 反映材料抵抗塑性變形的能力（表觀硬度）。

重要注意事項與影響因素

1. 參數敏感性： 結果受**壓頭幾何形狀/狀態、劃痕速度、加載速率（遞增時）、環境（溫度、濕度）**等顯著影響。測試條件必須嚴格一致才能進行有效對比。
2. 基體效應： 對于薄膜測試，基體硬度對臨界載荷有顯著影響。硬基體通常比軟基體測得更高的臨界載荷。
3. 失效模式判定： 臨界載荷的確定高度依賴失效模式的準確識別，需要經驗豐富的操作人員和高質量的顯微觀察設備。
4. “附著力”的復雜性： 劃痕試驗測得的臨界載荷是多種因素的綜合結果，包括界面結合強度、涂層內聚強度、殘余應力、測試應力場等。它反映的是在特定應力狀態下涂層體系的抗失效能力，而非純粹的界面結合能。
5. 標準化： 遵循國際或行業標準（如ISO 20502, ASTM C1624, ASTM G171）對于確保結果的可比性和可靠性至關重要。
6. 適用范圍： 對于超硬材料或極厚涂層，壓頭可能無法在設備載荷范圍內引發失效。對于非常軟的聚合物，可能難以區分塑性變形和真實失效。

劃痕試驗作為一種直觀且信息豐富的表面力學測試手段，為材料科學家和工程師提供了深入了解材料表面行為的關鍵窗口。尤其在評估薄膜涂層系統的可靠性方面，它已成為不可或缺的工具。然而，正確解讀劃痕試驗結果需要深入理解其原理、測試參數的精確控制、對失效模式的細致觀察，并認識到其測量值的相對性和復雜性。將其與其他表征技術（如納米壓痕、拉伸試驗、X射線應力分析）結合使用，才能更全面地評估材料的表面性能。隨著微納米技術的發展，劃痕試驗正朝著更高精度、更小尺度、更復雜環境（如高溫、真空）和原位多場耦合分析的方向不斷演進。