等离子体电解氧化（Plasma electrolytic oxidation,PEO）是在Al、Mg、Ti等金属及其合金表面原位制备陶瓷层的新方法,但在钢表面难以直接形成陶瓷层。针对这一难题,本文采用PEO方法对热浸镀铝钢进行陶瓷化处理,在钢表面制备了包含Al₂O₃层、Al层和Fe-Al层的多层涂层。本文对该复合涂层的组织结构、微观力学性能和失效行为等方面进行了研究,并采用有限元方法对复合涂层体系结构进行优化设计。研究结果对明确铝镀层陶瓷化演变规律、优化涂层性能和揭示拉伸失效机理具有重要的意义。通过对铝镀层PEO陶瓷化过程的电压特征、陶瓷层厚度生长规律、组织形态和成分等进行研究,揭示出铝镀层转化为陶瓷层的演变规律。研究发现,在PEO初期,铝镀层阳极电压的变化趋势与纯铝试件相同,而在PEO后期,铝镀层陶瓷化的阳极电压出现下降趋势。铝层消耗和陶瓷层增长近似为线性关系,当铝层完全消耗后,陶瓷层生长速率减缓。陶瓷层的主要相结构是γ-Al₂O₃和莫来石相,处理后期出现a-Al₂O₃相。PEO陶瓷层内部包含有许多微米/亚微米尺度的放电孔洞。当陶瓷化处理至Fe-Al层参与反应阶段,PEO过程更加复杂。此时,陶瓷层表面可观察到相对较大的放电孔洞。截面形态分析表明,它们贯穿到Al₂O₃/Fe-Al层界面,并在界面处出现较多裂纹。界面孔洞附近的EDS结果显示,Fe含量可达7.6at.%,远大于陶瓷层非界面孔洞区域的Fe含量。涂层表面元素分布同时显示,Fe-Al层参与反应后,由于Al原子供应减少,导致陶瓷层表面放电孔洞周围的氧化物内Al含量下降,Si含量提高,Fe含量约从0.5at.%上升到1.5².6at.%。本文采用显微硬度计和纳米硬度计表征了复合涂层微区间的硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能,讨论了放电孔洞对陶瓷层微观力学性能的影响。结果表明,陶瓷层纳米硬度约为19.6GPa,比钢基体提高了近15倍。由于放电孔洞影响,陶瓷层的弹性模量和硬度随压入深度出现异常变化情况,纳米压痕中同时出现了侧边裂纹和径向裂纹。陶瓷层放电孔洞的存在,促使纳米压痕裂纹的扩展方向发生偏转、裂纹尖端钝化和应力强度降低,同时产生了多重微裂纹,抑制了裂纹扩展,一定程度上提高了陶瓷层的断裂韧性。通过测量径向裂纹长度,依据Anstis公式可得陶瓷层断裂韧性约为1.75MPa·m1/2。本文建立了铝镀层陶瓷化复合涂层的有限元模型,讨论了在法向均布接触载荷作用下涂层/基体系统的应力场分布状态,创建了复合涂层的归一化厚度配比图,侧重分析厚度配比关系对复合涂层表面应力和界面应力的影响。计算表明,复合涂层各分层均发挥着特定的功能特性,Al₂O₃层厚度决定着涂层内最大剪应力的位置,铝层的存在可降低界面处的剪切应力。当Al₂O₃层与铝层厚度相等时,Al₂O₃/Al界面处的剪应力最小。增加Al₂O₃层厚度,可增强涂层支撑能力,减缓涂层表面的拉应力。当选择较厚的陶瓷层和较薄的铝层和Fe-Al层时,复合涂层具有较低的表面和界面应力,可提高涂层整体的抗接触载荷性能。复合涂层的承载力响应实验,实验结果与有限元分析结果基本吻合。保持Fe-Al层厚度不变,通过改变陶瓷层与铝层厚度比（tAl₂O₃/tAl）,研究了复合涂层的拉伸裂纹扩展及失效行为。结果显示,Fe-Al层内首先出现垂直拉伸方向的横向裂纹,陶瓷层与铝层厚度比（tAl₂O₃/tAl）的变化影响着横向裂纹的扩展方向。当陶瓷层与铝层厚度比（tAl₂O₃/tAl）较小时,横向裂纹易沿着Fe-Al层/基体界面扩展。当tAl₂O₃/tAl较大时,横向裂纹则穿透铝层向涂层表面扩展。为定量描述铝层对横向拉伸裂纹扩展到表面的阻挡能力,本文引入临界裂纹张开位移δc。随铝层厚度增加,δc也随之增加。通过观察拉伸断裂试件的表面横向裂纹分布,发现厚度比tAl₂O₃/tAl增大时,陶瓷层表面的拉伸裂纹间距随之减小。研究证实,厚度配比对铝镀层陶瓷化复合涂层的拉伸失效行为影响较大,铝层能够阻止或延缓横向拉伸裂纹向涂层表面的扩展行为。