【摘要】：采用冪指數(shù)描述"三明治"式梯度結(jié)構(gòu)形式,建立鎳基氧化鋁梯度陶瓷涂層在靜態(tài)接觸集中力載荷作用下有限元模型,分析靜態(tài)接觸集中力載荷作用下涂層的Mises應(yīng)力分布,以及梯度層的厚度、中間層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式對涂層的Mises應(yīng)力分布及最大Mises應(yīng)力發(fā)生位置的影響。結(jié)果表明:梯度結(jié)構(gòu)對接觸區(qū)Mises應(yīng)力大小及分布影響不大,但影響最大Mises應(yīng)力發(fā)生位置;合理的梯度結(jié)構(gòu)能避開最大Mises應(yīng)力發(fā)生在表面強(qiáng)化區(qū)及梯度區(qū)中,防止陶瓷涂層在接觸載荷作用下疲勞脫落。制備層狀結(jié)構(gòu)梯度陶瓷涂層時,采用氧化鋁層厚度20μm、線性梯度層厚度80μm、8層中間層,可改善Mises應(yīng)力,適當(dāng)避開最大Mises應(yīng)力發(fā)生在梯度區(qū)。
【圖文】：

疲勞失效，零件劃分為表層耐磨區(qū)和內(nèi)部抗接觸疲勞區(qū)，耐磨區(qū)和接觸疲勞區(qū)之間采用梯度過渡。采用連續(xù)介質(zhì)鎳－鎳/氧化鋁梯度層－氧化鋁模型描述這結(jié)構(gòu)形式。梯度層是由系列中間層疊加而成“三明治”式結(jié)構(gòu)，是分配不同的材料屬性結(jié)合完好的復(fù)合中間層，材料物理性能為各向同性。采用如圖1所示的剛性小球接觸具有梯度結(jié)構(gòu)圓柱體的彈塑性計算模型，模型起始處于自由應(yīng)力狀態(tài)，不考慮溫度對材料屬性的影響。模型中剛性小球直接接觸厚度為δ1的氧化鋁層，基體厚度為δ3，基體鎳與氧化鋁層間是厚度為δ2的梯度層。圖1剛性小球接觸具有梯度涂層結(jié)構(gòu)圓柱體模型Fig1Modelofarigidballcontactingacylinderwithgradientcoatingstructure1.2模型幾何特征和網(wǎng)格劃分計算模型中的圓柱體總厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不變，增加梯度層厚度δ2，基體厚度δ3相應(yīng)減少。表1給出了模型參數(shù)�？拷嚮w的梯度層中鎳含量較大，靠近氧化鋁層的梯度層中氧化鋁含量較大，梯度層中氧化鋁含量按一定的體積分布函數(shù)呈現(xiàn)梯度變化。表1模型參數(shù)Table1Modelparametersmm參數(shù)數(shù)值氧化鋁層厚度δ10．02梯度層厚度δ20～0．4鎳基體厚度δ339．98～40．38圓柱體直徑D200剛性小球直徑d60針對模型存在幾何的對稱性，簡化圖1所示的計算模型，建立如圖2所示的模型坐標(biāo)系，取坐標(biāo)系所在平面與模型相交所得橫斷面進(jìn)行分析。在ANSYS中建立圖3所示的二維平面模型，分析該模型在壓力載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變，接觸表面為x軸，取具有梯度結(jié)構(gòu)圓柱體中心軸為y軸，初始接觸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O。在小球中心處施加集中力載荷100N，并在接觸區(qū)域建立赫茲接觸對，對稱軸y軸上施加對稱約束，基體底部施加全約束。對靠近接觸面的圓柱體特

何特征和網(wǎng)格劃分計算模型中的圓柱體總厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不變，增加梯度層厚度δ2，基體厚度δ3相應(yīng)減少。表1給出了模型參數(shù)。靠近鎳基體的梯度層中鎳含量較大，靠近氧化鋁層的梯度層中氧化鋁含量較大，梯度層中氧化鋁含量按一定的體積分布函數(shù)呈現(xiàn)梯度變化。表1模型參數(shù)Table1Modelparametersmm參數(shù)數(shù)值氧化鋁層厚度δ10．02梯度層厚度δ20～0．4鎳基體厚度δ339．98～40．38圓柱體直徑D200剛性小球直徑d60針對模型存在幾何的對稱性，簡化圖1所示的計算模型，建立如圖2所示的模型坐標(biāo)系，取坐標(biāo)系所在平面與模型相交所得橫斷面進(jìn)行分析。在ANSYS中建立圖3所示的二維平面模型，分析該模型在壓力載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變，接觸表面為x軸，取具有梯度結(jié)構(gòu)圓柱體中心軸為y軸，初始接觸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O。在小球中心處施加集中力載荷100N，并在接觸區(qū)域建立赫茲接觸對，對稱軸y軸上施加對稱約束，基體底部施加全約束。對靠近接觸面的圓柱體特定區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其網(wǎng)格沿著x軸方向劃分50等份，每份長度40μm，沿著y軸方向劃分250等份，每份長度10μm。圖2模型坐標(biāo)系Fig2Coordinatesystemofmodel圖3有限元模型網(wǎng)格劃分Fig3Finiteelementmeshofspecimen2Al2O3-Ni二組元梯度材料屬性描述2.1梯度層組分分布形式假定鎳-氧化鋁組成的金屬陶瓷復(fù)合材料中的氧化鋁沿梯度層厚度即y軸方向呈現(xiàn)一維連續(xù)分布，氧化鋁的體積分布是y的一元函數(shù)。文中氧化鋁分布采用WAKASHIMA等［8］提出的冪函數(shù)分布形式，，氧化鋁組元沿厚度方向上體積分布為Vf(y)=yδ()2p(1)式中:Vf(y)為氧化鋁在梯度層中的體積分?jǐn)?shù);p為組元成分氧化鋁分布指數(shù);y為沿著Y軸方向梯度層厚度;δ2
【作者單位】： 汕頭大學(xué)工學(xué)院;
【基金】：廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030313479)
【分類號】：TQ174.1

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本文編號：2523657