傳統理論認為硬質保護涂層可以通過提高金屬承載結構的表面硬度和耐磨性來改善其機械性能。然而，大量的實驗表明，硬質涂層在不同程度上降低了金屬基體的疲勞壽命，極大地限制了涂層的應用。一般來說，疲勞裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的90%以上，是承載結構疲勞破壞的主要階段。因此，研究硬質涂層如何影響韌性金屬基體的疲勞裂紋萌生機制，進而建立理論來緩解甚至消除這種現象是非常必要的。

目前，硬質涂層對金屬基體疲勞性能不利影響的機理主要基于“缺口效應”模型。涂層一旦斷裂會在基體界面附近引起附加應力集中，不可避免地加速疲勞裂紋的萌生過程。根據該模型，涂層斷裂不會改變疲勞裂紋源的位置，只是促進了疲勞裂紋萌生過程，沒有改變疲勞裂紋萌生機制。然而，基于該模型的一些實驗現象卻難以解釋。首先，涂層開裂引起基體疲勞斷口形貌的變化。例如，對于從基體內部萌生的疲勞裂紋萌生源，涂層開裂導致疲勞裂紋萌生源位置由內部向表面轉變，這被認為是加速基體疲勞失效的關鍵。這表明涂層開裂改變了疲勞裂紋萌生機制。其次，一些硬質涂層對基體的疲勞性能有積極的影響。例如，具有較大殘余壓應力和良好延展性的硬質涂層可以提高基體的疲勞性能，即使它們在外加循環應力下不可避免地已經開裂并在基體上形成顯著的應力集中。這說明“缺口效應”模型雖然可以解釋一些已報道的實驗現象，但并不能揭示涂層開裂降低基體疲勞性能的本質。因此，需要另一種新的模型來理解脆性涂層斷裂引起的金屬基體裂紋形核。

北京科技大學北京材料基因工程高精尖創新中心的研究團隊通過物理氣相沉積的方法在鈦合金表面沉積硬質涂層，利用拉-拉軸向疲勞測試方法研究了高、低循環應力下硬質涂層對鈦合金疲勞裂紋萌生機制的影響，并建立了“高應力下膜致基體解理開裂+低應力下基體滑移致涂層開裂”的硬質涂層-韌性基體體系疲勞裂紋萌生新機制。研究成果以論文“Stress-sensitive fatigue crack initiation mechanisms of coated titanium alloy”發表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117179

本研究選用的基體為TC4鈦合金，在沉積涂層之前對試樣進行嚴格的拋光，以去除試樣表面缺陷的影響。涂層厚度約為5?m，呈致密柱狀晶結構，拉-拉軸向疲勞測試應力比為0.1，頻率R=60 Hz，正弦波形加載。

疲勞測試結果顯示涂層降低了鈦合金的疲勞極限，而對疲勞裂紋源的觀察可以看到，鈦合金試樣的疲勞裂紋源呈現典型的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，而高應力下鍍膜試樣的疲勞裂紋源呈現從膜基界面向基體內部擴展的河流狀花樣，這表明涂層開裂改變了基體的疲勞裂紋萌生機制，疲勞裂紋在界面處萌生，涂層裂紋未在界面處停止而滲透到基體中，涂層與基體之間的裂紋是連續的，涂層開裂主導的膜致基體解理開裂成為疲勞裂紋萌生的主要機制。低應力下覆膜試樣的裂紋源呈現與基體材料疲勞裂紋源相似的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，疲勞裂紋開始于次表面，涂層和基體中的裂紋是不連續的。基體滑移臺階導致涂層斷裂，在已被位錯堆積擠壓的脆性α相上形成附加應力集中，加速了亞表面疲勞裂紋萌生。

圖1 (a)疲勞試樣尺寸及(b)拉-拉軸向疲勞測試結果:帶有涂層鈦合金基體疲勞極限應力顯著下降并且在某臨界應力附件出現裂紋形核機制不同

圖2 不同循環應力下的TiN-TC4試樣疲勞裂紋源形貌及位置統計結果：低于臨界應力疲勞裂紋形核于界面附近的鈦合金基體中，高于臨界應力裂紋形核于涂層/基體界面處