本文關(guān)鍵詞： 仿生 貝殼 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電弧增材制造 力學(xué)　出處：《南京理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：天然貝殼的組成結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間存在最佳的匹配規(guī)律。貝殼的珍珠層有著"軟-硬"交織的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能,這為高性能仿生材料的設(shè)計(jì)及制造提供了新思路。在研究生物材料的過(guò)程中不斷開(kāi)發(fā)仿生材料制造新方法已成為研究重點(diǎn)。本文以背角無(wú)齒蚌為研究對(duì)象,探究其材料組成、微觀(guān)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能特征,分析總結(jié)其組成結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。仿照貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行仿生金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì),通過(guò)TIG電弧增材制造方法打印出具有仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)件,并對(duì)其顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行研究,用以驗(yàn)證天然貝殼材料的強(qiáng)韌化機(jī)制。背角無(wú)齒蚌主要成分是CaCO_3,由棱柱層和珍珠層構(gòu)成。密度分布四周較大,向頂部收攏過(guò)程中逐漸減小。新鮮貝殼抗彎強(qiáng)度為29.8MPa,加熱后明顯降低,為3.37MPa。棱柱層的硬度為4～5GPa,彈性模量為60GPa左右;珍珠層的硬度為3.5GPa,彈性模量為70GPa左右,棱柱層比珍珠層硬度大而抗彈性變形能力差。珍珠層的裂紋擴(kuò)展路徑說(shuō)明,"軟硬"交織的結(jié)構(gòu)特征是珍珠層強(qiáng)韌化的關(guān)鍵因素。分析總結(jié)得出天然貝殼材料的增韌機(jī)制主要有:裂紋偏轉(zhuǎn)、文石片拔出和有機(jī)質(zhì)的連接。仿生電弧增材制造中的焊縫寬度、高度和焊接速度成反比,和焊接電流成正比。搭接率的增加可以提高堆積層上表面的平整度,成形質(zhì)量更好,搭接率η=33%,成形質(zhì)量最佳;搭接率η大于50%時(shí)容易造成金屬結(jié)構(gòu)件向一側(cè)或兩側(cè)坍塌。不銹鋼結(jié)構(gòu)件底部焊縫的組織為胞狀Y奧氏體,夾雜極少蠕蟲(chóng)狀δ鐵素體;中部組織為γ奧氏體+δ鐵素體;最后一層焊縫的組織為β+δ兩相區(qū)和β相區(qū),其中γ相區(qū)又分為胞狀β相區(qū)和柱狀β相區(qū)。沿著堆積方向從下到上,晶粒越來(lái)越細(xì)小;重熔區(qū)組織的生長(zhǎng)方向垂直于熔合線(xiàn)指向熔池中心;結(jié)構(gòu)件內(nèi)部組織呈從下往上生長(zhǎng)趨勢(shì),頂部區(qū)域組織生長(zhǎng)方向隨散熱方向改變而發(fā)生改變。不銹鋼和高氮鋼沿堆積方向的硬度從下到上逐漸上升,高氮鋼硬度局部呈"V"形變化;兩種材料交織結(jié)構(gòu)件的硬度變化趨勢(shì)呈正弦波形狀,波峰為高氮鋼硬度,波谷為不銹鋼硬度。不銹鋼、高氮鋼和兩種材料交織結(jié)構(gòu)件沿垂直于堆積方向的抗拉強(qiáng)度和塑性都優(yōu)于堆積方向,不銹鋼相對(duì)于高氮鋼強(qiáng)度小、塑性高;兩種材料交織結(jié)構(gòu)件塑性大于高氮鋼,低于不銹鋼,強(qiáng)度大于不銹鋼,低于高氮鋼;隨高氮鋼與不銹鋼層數(shù)比的增加,其抗拉強(qiáng)度增大而塑性減小;不銹鋼、高氮鋼沿垂直于單元層方向的沖擊功小于平行于單元層方向,高氮鋼抗沖擊性能小于不銹鋼;兩種材料交織結(jié)構(gòu)件的沖擊功相對(duì)高氮鋼有所提升,但未達(dá)到不銹鋼水平,且隨高氮鋼與不銹鋼層數(shù)比的增大而減小。
[Abstract]:In this paper , the structure and mechanical properties of shell - shell pearl are studied , and the microstructure and mechanical properties of shell - shell are studied . The hardness of the prismatic layer is about 3 . 5 GPa , the elastic modulus is about 60 GPa , the hardness of the prismatic layer is about 3 . 5 GPa , the elastic modulus is about 70 GPa , the hardness of the prismatic layer is about 3 . 37 MPa , the hardness of the prismatic layer is about 70 GPa , the hardness of the prismatic layer is great than that of the pearl layer , and the elastic deformation is poor . The structural features of the " soft and hard " interlace are the key factors of the toughening of the nacre layer . The analysis concludes that the toughening mechanism of the natural shell material is : the crack deflection , the extraction of the text and the connection of the organic matter . The microstructure of the stainless steel and the high - nitrogen steel is better than that of the stainless steel . The microstructure of the stainless steel and the high - nitrogen steel is higher than that of the stainless steel .

【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TG661;TB391

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1526742