先进表面工程技术作为现代工业发展的关键技术之一,已成为先进制造技术的前沿技术和赶超国际先进水平的重要前沿阵地。表面工程的发展极大的促进了固体润滑涂层的进步,在摩擦副表面生成具有优良减摩和耐磨性能的固体润滑涂层,配对成新的接触副,实现延长摩擦副使用寿命、提高机械效率以及节约材料的目的。目前,固体润滑涂层已在现代工业技术领域,如发动机和机械传动等,获得了广泛的应用并取得了巨大的经济价值和社会效应。受涂层和基体材料结构不匹配以及制备工艺影响而产生的较大薄膜涂层残余应力可能是涂层裂纹和界面分层损伤的催化剂,该问题的理论研究亟待加强,这对固体润滑涂层的制备具有重要的指导意义。而且,表征评定涂层-基体界面分层以及涂层自身裂纹问题已经成为固体润滑涂层耐用性和可靠性设计的障碍,迫切需要开展涂层失效的基础理论研究,并对涂层的失效预测和评价具有显著的意义。此外,研究固体润滑涂层润滑状态下的摩擦学特性,并从理论上通过合理的涂层参数和润滑设计,避免涂层-基体系统失效的产生,有效地提高摩擦副承载能力和使用寿命,对于开拓涂层摩擦学应用具有重要的理论意义和实际应用价值。本文针对上述固体润滑涂层-基体系统的界面分层损伤和涂层裂纹演变及其摩擦学特性的科学问题,以物理气相沉积涂层和钢基体系统为研究对象,系统性的开展了研究工作,其主要工作和成果总结如下:(1)针对涂层在残余应力下可能会出现的界面分层和涂层裂纹的问题,建立了考虑粗糙度的涂层-基体系统残余应力模型,通过扩展有限元技术、J积分法以及内聚力法相结合的手段从理论上研究了涂层在残余应力下界面分层损伤以及涂层裂纹的演变。表明粗糙面对涂层残余应力以及基体塑性行为均有较大影响;相比于界面法向应力,分层失效对界面切应力变化更为敏感;而多裂纹时的两近置的裂纹尖端更容易扩展并最终融合;并且,从力学角度证明沉积一层热膨胀系数适中的中间层可以更好的保护整个系统。(2)围绕涂层-基体界面分层以及涂层自身裂纹的如何评价的问题,通过纳米压痕方法对系统失效情况进行表征,建立了包含内聚力单元的涂层-基体系统压痕的有限元模型,考察了内聚力属性、涂层弹性模量以及厚度对涂层裂纹和界面分层的影响,同时揭示了涂层裂纹和界面分层两者的相互影响规律。表明增加涂层的内聚力/能虽可有效地防止其裂纹的产生,但同时也增大了界面分层失效的可能性;当界面内聚力处于某临界值时,界面耐分层能力最小;然而,涂层裂纹对于界面的内聚力属性变化并不敏感;而弹性模量越小的涂层系统越易免受这些伤害;涂层厚度在影响其裂纹和界面分层临界载荷方面也存在某一临界值。(3)利用复合离子镀膜技术在渗碳钢基体表面沉积类金刚石(DLC)涂层。使用纳米压痕法对其进行了实验研究,实时获得压头的载荷-位移曲线。曲线中存在若干跳跃点,意味着系统内部裂纹或界面分层失效的产生。压痕实验完成后,通过扫描电子显微镜和聚焦离子束系统观察发现,DLC涂层压痕处出现了规则的贯穿厚度的环形裂纹以及界面分层现象,实验结果验证了模拟仿真结果的正确性。最后,通过压痕结果估算了涂层断裂韧度和界面结合能。(4)建立了涂层-基体系统微观弹流润滑模型,基于Full-system有限元法,研究了涂层的弹流摩擦特性,评价了涂层厚度、涂层弹性模量、工况条件、界面微波谷、表面和界面粗糙度以及多层涂层对系统应力响应的影响,预测了重载下系统可能失效的位置。表明涂层厚度、弹性模量和工况变化会对其弹流特性产生重大的影响;同硬涂层相比,软涂层的弹流响应对速度和载荷的变化更为敏感;用力学的方式解释微裂纹一般萌生于界面微波谷处;且油膜压力以及界面剪应力在较软和较厚涂层上受表面粗糙度影响更小;同时粗糙界面的剪应力很大程度取决于涂层和基体的匹配度;而功能梯度多层涂层系统可有效预防界面分层以及亚表面点蚀失效。(5)通过四球实验对比研究了TiN、WC/C和DLC三种固体润滑涂层的摩擦磨损性能,揭示了它们重载润滑状态下的摩擦学机理。发现跑合稳定后的TiN涂层的摩擦系数最大,而DLC的最小;TiN涂层磨损失效方式为氧化剥落、WC/C为氧化点蚀,而DLC会在磨痕附近形成转移膜;则WC/C和DLC涂层表现出较好的减摩耐磨以及跑合特性。