【摘要】： 耐磨涂層廣泛應用于機械零部件的表面,以提高摩擦表面局部區(qū)域的抗磨損能力、延長零部件的使用壽命,以達到節(jié)約材料、降低成本的目的。但涂層在實際應用中卻存在不足,主要表現(xiàn)在;(1)涂層與基體結合界面、涂層本身的加工和材料缺陷;(2)在循環(huán)載荷作用下涂層界面容易產生裂紋,導致涂層失效甚至與基體剝離。如在飛機零件、壓力容器、管道系統(tǒng)中往往存在促使涂層失效的表面裂紋,并易造成重大事故和經濟損失。研究這些涂層裂紋的生成、擴展機理和規(guī)律,以作為工程應用的理論基礎,是個十分重要并亟待解決的熱門研究課題。 本文使用有限元方法重點研究類金剛石陶瓷涂層和TiN涂層在剛性球靜態(tài)和滑動兩種狀態(tài)下裂紋前沿的J積分值、應力應變和裂紋的擴展等規(guī)律。計算了界面裂紋和表面裂紋在不同載荷、不同基體彈性模量和不同裂紋參數(shù)條件下的疲勞壽命。分析了壓頭半徑對塑性變形的影響,模擬結果表明;(1)陶瓷涂層厚度和壓頭半徑之比對涂層失效、基體塑性變形及裂紋的形成有顯著影響;(2)在剛性球壓頭靜態(tài)擠壓條件下,陶瓷涂層中的預制裂紋按照橢圓形裂紋規(guī)律擴展;(3)陶瓷涂層的疲勞壽命與基體和載荷有很大關系,基體彈性模量越小,疲勞壽命延長。載荷增大,疲勞壽命急劇下降;(4)陶瓷涂層厚度、粘層厚度、基體材料彈性模量、裂紋長度與深度之比和裂紋深度與涂層厚度比對J積分值均有顯著影響;(5)在TiN涂層中,分析了裂紋前沿關鍵點位置的應力應變,應力和應變在有裂紋和無裂紋時有很大的差別;(6)TiN涂層裂紋前沿進入塑性后等分點位置三個積分環(huán)的J積分值相差越來越大;(7)建立了涂層在彈塑性情況下裂紋擴展模型,模擬分析了TiN涂層界面和表面裂紋的擴展規(guī)律,TiN涂層的裂紋擴展模式和陶瓷涂層不同;(8)在載荷、涂層厚度、裂紋深度與涂層厚度之比一定的情況下,基體彈性模量越小,涂層疲勞壽命延長。
【圖文】：

于基體塑性變形引起的，，那么基體的失效發(fā)生在兩個不同的位置，這主要取決于涂層厚度和壓頭半徑的比率。當涂層厚度與壓頭半徑的比為0.01時，基體中最大剪應力首先在界面下達到屈服應力，如圖3一2。當涂層厚度與壓頭半徑的比為0.1時，基體屈服首先發(fā)生在界面上，如圖3一3。圖3一2基體塑性屈服位置(可R=0.01)圖3一3基體塑性屈服位置(1公R=0.1)3.4涂層失效在涂層中，最大主應力達到斷裂強度時涂層就發(fā)生失效。斷裂可能發(fā)生在不同的位置，這主要取決于涂層厚度和基體塑性區(qū)域的擴展。為了研究不

同的涂層厚度與壓頭半徑的比值對涂層中主應力的影響，現(xiàn)分別取擬R為20，2，0.2，0.02進行討論，在每個比值中，載荷調整到使最大主應力達到斷裂的臨界值20GPa。如圖3一4至圖3一7。(1)h/R二20對于厚度比較大的涂層，基體在涂層斷裂前不會發(fā)生塑性應變。圖3一4中壓頭的應力分布沒有列出。從圖中可以看出，除了在涂層與壓頭接觸表面有比較大的張應力外，在接觸下方靠近基體部分涂層有很大的張應力，因此，涂層表面容易發(fā)生裂紋，且如果接觸半徑和壓頭半徑相差不大時，涂層下部分也很容易形成裂紋。g，閱.盆.PrineiPal《幾”..Crit.性75毛)(10e12Pa) +2000e一02一1二93口一02一1.，21一02奮 1.54，e一02
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TH117.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

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2 虞巖貴;用小裂紋尺寸與塑性應變范圍同彈性應變范圍的比值計算材料的疲勞損傷[J];機械強度;2002年03期

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1 劉青峰;疲勞裂紋擴展速率與門檻值自動化測試系統(tǒng)研究[D];北京工業(yè)大學;2000年

2 肖方紅;基于小裂紋擴展的疲勞全壽命計算方法研究[D];西北工業(yè)大學;2001年

本文編號：2642265