DLC涂层材料的微动磨损数值模拟研究

发布时间：2020-05-29 03:04

【摘要】：微动是存在于两零件之间的微、纳米级别的一种相对运动,因其振幅较小,在工程应用中往往易被忽视。微动的发生会对服役中的工程机械构成损伤,是服役中机械正常运行的重大潜在威胁,且微动的产生不可阻止,被称为工业上“不死的癌症”。随着表面工程技术的发展,通过在重要部件表层涂覆一层耐磨性能材料,能达到有效延长服役寿命。类金刚石(Diamond-like Carbon,DLC)材料因其优异的摩擦学性能,得到广泛应用。从文献检索中发现,针对DLC材料的磨损性能研究,学者们多以实验研究为主,通过设计制备不同参数下的DLC涂层并进行相应的摩擦磨损实验,分析磨损后的磨损形貌等,探究DLC材料的磨损性能;针对DLC材料的数值模拟研究较少,尤其是涂层局部磨穿后的磨损性能更是没有学者涉及。本文基于现有微动损伤理论得出球/平面接触下的接触应力及其分布,在对其微动损伤的预测,采用Ruiz准则分析了材料摩擦系数及切应力对综合系数的影响;从数值模拟角度出发,提出了一种适用于较大磨损深度的节点更新方法,避免了当磨损深度大于有限元单元长度时出现错误;与此同时提出了一种加速数值计算的自适应循环增量步方法,提高了数值计算的效率。建立了柱面与平面的二维微动磨损模型,利用基于Archard磨损方程推导出的局部磨损方程,递进地计算了平面的磨损深度,得到了平面在柱面作用下的磨损形貌。运用该模型得出了不同柱面几何半径大小、载荷和弹性模量下平面的磨损轮廓。利用正交实验对不同微动工况参数进行了显著性分析,为工况参数的选择提供了依据。在二维柱面与平面的微动模型的基础上,建立柱面与DLC涂层平面的二维微动磨损模型。为探究DLC涂层局部磨穿的摩擦磨损性能,提出了一种适用于涂层材料的节点更新方法;运用该模型对不同涂层厚度、不同滑移振幅下DLC涂层平面的发生局部磨穿前后的表现出的性能进行了研究。为DLC涂层设计提供可靠的理论分析与参考。
【图文】：

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产生相对滑移运动而造成接触面表面损伤；接触副只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力，如图1.1（a）所示。（2）微动疲劳：指接触副表面因承受外界的交变疲劳载荷引起的变形、产生相对位移发生的微动现象，如图 1.1（b）所示。（3）微动腐蚀：指在电解质或其他腐蚀性介质（如酸雨）中发生的微动。如图1.1（c）所示。图 1.1 常见的三种基本微动模式示意图[2]Fig. 1.1 Three common basic fretting mode diagram球/平面接触模型是微动磨损中较为常用的有限元模型；根据其相对运动方向，致力于微动研究的国内外学者把微动分为：切向微动、滚动微动、扭动微动、径向微动四种基本运行模式[1]，如图 1.2 所示。

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图 1.2 球/平面接触模式下微动磨损的 4 种基本形式[3]Fig. 1.2 Four basic classification of fretting wear in ball/plane contact mode工程中存在的微动是形式较为复杂的运动，我国学者周仲荣带领团队提出的复合微动和复杂微动的概念，引领的复杂微动形式研究更加趋近工程实际。1.2.2 微动磨损基础理论概述Tomlinson 早期从材料分子之间的相互吸引[4]对微动磨损过程进行了解释，这种最早的微动磨损模型并没有得到认可。Godfrey 等[5]认为黏着在接触面间的材料颗粒当其从接触表面剥落被挤出接触面的同时还会被接触的空气氧化，，机械作用是磨屑形成的主要原因。而 Uhigh 等则认为机械和化学作用[4]共同造成了微动破坏，两者的作用是能够孤立的对待，推导出了最早的定量表达式，对微动磨损的效果进行了量化但其不能够呈现出微动振幅对磨损率影响的规律。Feng 和 Rightnire[6]基于传统摩擦学理论，认为微动磨损的过程包括4个阶段（：1）
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH117.1

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