将硬质膜层沉积在受保护的软基材上，在很多情况下却难以有效发挥其减摩抗磨作用，特别是在外力作用下膜层剥落导致膜/基体系早期失效。在摩擦磨损过程中膜/基体系失效的主要原因有膜层厚度选择不佳、膜内存在残余应力、膜/基之间性能差异较大、镀膜工艺参数不当等。本文研究电弧离子镀TiN膜层/金属基材体系在摩擦磨损条件下的失效问题。进行了压痕试验、划痕试验、摩擦磨损试验，通过相关试验的有限元模拟，重点探讨不同膜层厚度、不同性能基材、不同工艺条件对膜/基体系摩擦学行为的影响，分析膜/基体系失效的原因，以寻求TiN膜/基体系在工程应用中的摩擦学条件和硬膜能够有效发挥其保护基材作用的原则。　　 首先，讨论了膜层厚度对膜/基体系的摩擦磨损行为和性能的影响。研究发现，膜内残余应力沿厚度分布不均匀，膜厚增加，残余应力增大；膜/基体系的硬度和在划痕试验中的承载能力随膜厚而提高；膜层过厚时，膜/基结合力明显下降。压痕试验的有限元模拟结果显示，膜层在压头接触区外产生σxx和σyy张应力，在接触区内为压应力；试验证实，表面膜层断裂首先发生在接触区外的张应力区。在滑动摩擦磨损试验中，与GCr15钢球对摩时，厚膜的摩擦系数下降较快，稳定后数值较低；与金刚石对摩时，在低载下摩擦系数很低，存在着随载荷增加摩擦系数突然变大的体系失效现象，膜层越厚失效载荷越大。　　 TiN膜/Q235基材体系与金刚石对摩的磨损过程大致可以分为四个阶段：(I)磨合阶段，(II)膜层稳定磨损阶段，(III)膜层失效阶段，(IV)膜/基混合磨损阶段；在摩擦磨损过程中，磨痕边缘首先出现裂纹。有限元模拟结果表明，当膜/基体系发生塑性变形或膜层有一定磨损时，磨痕边缘形成多种形式的应力集中，边缘裂纹容易向磨痕内外同时扩展导致膜层剥离甚至失效；在膜层磨损变薄时，出现在膜/基界面的最大切应力能促进膜/基结合失效；切应力在膜/基界面处产生的应变幅较大，当膜/基之间协调变形能力较好时不易造成膜层与基材剥离。提出了小载荷摩擦磨损下过软基材的膜/基体系失效机制：膜层在集中应力和张应力作用下发生裂纹萌生和扩展的脆性破坏，其中，由于体系变形引起的磨痕边缘应力集中对膜层早期损伤进而导致体系磨损失效具有最重要作用。　　 将TiN膜沉积在不同强度和硬度的基材上进行的试验研究表明，以较软的Q235钢为基材时，膜/基体系的硬度较低，在压痕和划痕试验中膜层均较早失去对基体的保护作用；以高强度的T8钢为基材的膜/基体系硬度最高，在划痕试验中表现出更高的临界载荷主要源于其较强的承载能力；以与膜层匹配性较佳的Ti6Al4V为基材时，比硬度(膜/基体系硬度与基材硬度的比值)最大，在临界载荷下其膜/基界面处切应力差值最大，结合强度最高。由划痕试验的有限元模拟可知，在大的划针载荷下膜/基体系塑性变形较大，膜层内的切应力σxy随时间起伏变化，膜/基界面处产生切应力差，膜层表面存在易使脆性材料产生裂纹的σxx张应力，在划针与膜层表面接触区的前端形成了应力集中。提出划痕试验中体系破坏的两种失效机制：应力导致膜层脆断和结合失效导致膜层剥离，体系破坏大都为两种机制共同作用。划痕试验证实了有限元模型模拟的有效性，当基材不同时，膜/基体系失效方式或符合应力导致膜层脆断机制，或以结合失效导致膜层剥离机制为主；适当的基材性能和与硬膜匹配性，可能获得较高膜/基结合强度。小载荷滑动摩擦磨损试验证实，以Q235钢为基材的膜/基体系失效归因于接触区前端塑性隆的张应力使膜层断裂和层间剥落，以T8为基材的膜/基体系早期失效主要源于膜层整体从基材表面分离，其耐磨性低于硬度和承载能力均相对较低的以Ti6Al4V为基材的膜/基体系，也进一步说明不能完全依靠体系硬度和承载能力来判断TiN膜/基体系的的耐磨性。研究结果表明了用划痕试验的临界载荷评估膜/基结合的局限性，而由本文模型计算临界载荷下膜/基界面的切应力差值物理意义明确，可以用来表征膜/基结合强度。　　 电弧离子镀制备TiN薄膜的工艺中，不同的偏压影响TiN晶体的择优取向；偏压增大使TiN薄膜内部的残余应力增大；针对不同力学性能基材需要采用偏压才能获得较好的膜/基结合；以Ti6Al4V为基材时，偏压为-350V时的抗磨损性能较好。氮分压不同得到的TiN膜在相组成、表面形貌、力学性能上有所不同。低氮分压下膜层中Ti2N相明显增多，薄膜表面熔滴粒度较小，形貌平整：随着氮分压升高，熔滴粒度增大，薄膜以TiN(200)面择优生长。提高制备工艺中的氮分压，得到的膜/基体系的硬度增加。氮分压过低或过高均使临界载荷和协调变形能力降低，在制备工艺中应综合考虑基材性能来选择氮分压。较高的氮分压使膜层硬度增加，在本文试验条件下膜/基体系的摩擦系数降低，但耐磨性未获得相应提高。