基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究

发布时间：2017-06-03 04:04

  本文关键词：基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,表面涂层技术已成为提高材料抗疲劳和抗磨损性能的重要手段。许多零部件,例如刀具、齿轮和轴承等,通过表面涂层,改善接触性能。但由于涂层制造过程中不可避免的缺陷以及涂层基体之间弹性参数不连续性,在接触应力作用下涂层结构易产生裂纹,随着裂纹的扩展,引起涂层的剥落而造成零件的失效。为满足涂层结构在工程应用中的可靠性要求,需要研究在摩擦接触条件下涂层结构的失效机理。本文主要完成了以下工作:1利用等离子辅助化学气相沉积技术制备厚度为10μm的氮化钛涂层,其基体为高速钢。利用显微硬度仪测量得到涂层的硬度约为2000HV~4000HV,利用纳米压痕仪测量得到涂层的弹性模量和断裂韧度分别为590GPa和3.30MPa·1/2m。划痕法本质上属于摩擦接触问题,可通过扫描电镜对涂层划痕表面进行观察与分析,结果表明在涂层表面产生了平均间距约为5.1μm弧形裂纹,同时测得涂层表面的摩擦系数约为0.25。2利用有限元软件对压头在涂层表面的滑动过程进行模拟,获得了压入阶段与滑动阶段的应力云图和涂层中应力的变化曲线,分析了涂层中应力的分布特点;根据涂层中应力分布规律,分析了裂纹可能产生的原因以及裂纹可能产生的位置。3根据扩展有限元理论,应用ABAQUS有限元软件模拟了球形压头在涂层表面的滑动过程中涂层裂纹的产生与扩展。模拟结果表明:压入阶段,涂层界面首先产生裂纹,并沿着厚度向表面扩展;滑动阶段,涂层表面与界面出现大量裂纹,亚表面有少量裂纹产生;涂层表面裂纹和界面裂纹主要是最大拉应力引起的Ⅰ型裂纹。通过模拟压头在涂层表面的往复滑动,结果表明涂层表面裂纹在应力作用下将向界面扩展,而涂层界面裂纹向表面扩展,最终形成贯穿裂纹,导致涂层的剥落。上述结果为涂层的工程应用以及涂层结构优化设计提供了依据。
【关键词】：涂层应力 裂纹 扩展有限元方法
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TH117
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题研究意义8
• 1.2 课题研究现状8-12
• 1.2.1 涂层应力分析8-10
• 1.2.2 涂层裂纹分析10-12
• 1.3 课题研究基础12
• 1.4 本文研究的主要内容12-14
• 第2章 涂层失效研究的理论基础14-27
• 2.1 涂层应力理论计算14-21
• 2.2 裂纹基础理论21-22
• 2.3 应力强度因子外推法22-25
• 2.3.1 应力外推法23-24
• 2.3.2 位移外推法24-25
• 2.4 扩展有限元法25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 涂层制备及力学参数测量27-35
• 3.1 涂层的制备27-28
• 3.2 涂层的力学性能参数测试28-30
• 3.2.1 涂层的泊松比28
• 3.2.2 涂层的弹性模量测量28-30
• 3.2.3 涂层的硬度测量30
• 3.3 涂层划痕实验30-33
• 3.4 涂层往复滑动实验33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 摩擦接触条件下的涂层的有限元模拟35-60
• 4.1 涂层力学模型与有限元模型35-58
• 4.1.1 2D有限元模型压入阶段应力分析36-40
• 4.1.2 2D有限元模型初次滑动应力分析40-44
• 4.1.3 2D有限元模型往复滑动应力分析44-48
• 4.1.4 3D有限元模型压入阶段应力分析48-52
• 4.1.5 3D有限元模型初次滑动应力分析52-55
• 4.1.6 3D有限元模型往复滑动应力分析55-58
• 4.2 本章小结58-60
• 第5章 摩擦接触条件下涂层裂纹的产生与扩展60-70
• 5.1 涂层裂纹有限元模型60-69
• 5.1.1 2D涂层压入阶段裂纹分析61-62
• 5.1.2 2D涂层初次滑动裂纹分析62-65
• 5.1.3 2D涂层往复滑动裂纹分析65-67
• 5.1.4 3D涂层压入阶段裂纹分析67-69
• 5.1.5 3D滑动阶段裂纹分析69
• 5.2 本章小结69-70
• 总结与展望70-71
• 参考文献71-75
• 硕士期间发表的论文与参与项目75-76
• 致谢76

【二级参考文献】

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  本文关键词：基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：417201