梯度结构对氧化铝陶瓷涂层接触应力的影响
发布时间：2019-08-06 17:47
【摘要】：采用幂指数描述"三明治"式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在静态接触集中力载荷作用下有限元模型,分析静态接触集中力载荷作用下涂层的Mises应力分布,以及梯度层的厚度、中间层数及结构形式对涂层的Mises应力分布及最大Mises应力发生位置的影响。结果表明:梯度结构对接触区Mises应力大小及分布影响不大,但影响最大Mises应力发生位置;合理的梯度结构能避开最大Mises应力发生在表面强化区及梯度区中,防止陶瓷涂层在接触载荷作用下疲劳脱落。制备层状结构梯度陶瓷涂层时,采用氧化铝层厚度20μm、线性梯度层厚度80μm、8层中间层,可改善Mises应力,适当避开最大Mises应力发生在梯度区。
【图文】：
疲劳失效，零件划分为表层耐磨区和内部抗接触疲劳区，耐磨区和接触疲劳区之间采用梯度过渡。采用连续介质镍－镍/氧化铝梯度层－氧化铝模型描述这结构形式。梯度层是由系列中间层叠加而成“三明治”式结构，是分配不同的材料属性结合完好的复合中间层，材料物理性能为各向同性。采用如图1所示的刚性小球接触具有梯度结构圆柱体的弹塑性计算模型，模型起始处于自由应力状态，不考虑温度对材料属性的影响。模型中刚性小球直接接触厚度为δ1的氧化铝层，基体厚度为δ3，基体镍与氧化铝层间是厚度为δ2的梯度层。图1刚性小球接触具有梯度涂层结构圆柱体模型Fig1Modelofarigidballcontactingacylinderwithgradientcoatingstructure1.2模型几何特征和网格划分计算模型中的圆柱体总厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不变，增加梯度层厚度δ2，基体厚度δ3相应减少。表1给出了模型参数。靠近镍基体的梯度层中镍含量较大，靠近氧化铝层的梯度层中氧化铝含量较大，梯度层中氧化铝含量按一定的体积分布函数呈现梯度变化。表1模型参数Table1Modelparametersmm参数数值氧化铝层厚度δ10．02梯度层厚度δ20～0．4镍基体厚度δ339．98～40．38圆柱体直径D200刚性小球直径d60针对模型存在几何的对称性，简化图1所示的计算模型，建立如图2所示的模型坐标系，取坐标系所在平面与模型相交所得横断面进行分析。在ANSYS中建立图3所示的二维平面模型，分析该模型在压力载荷作用下应力应变，接触表面为x轴，取具有梯度结构圆柱体中心轴为y轴，初始接触点为坐标原点O。在小球中心处施加集中力载荷100N，并在接触区域建立赫兹接触对，对称轴y轴上施加对称约束，基体底部施加全约束。对靠近接触面的圆柱体特
何特征和网格划分计算模型中的圆柱体总厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不变，增加梯度层厚度δ2，基体厚度δ3相应减少。表1给出了模型参数。靠近镍基体的梯度层中镍含量较大，靠近氧化铝层的梯度层中氧化铝含量较大，梯度层中氧化铝含量按一定的体积分布函数呈现梯度变化。表1模型参数Table1Modelparametersmm参数数值氧化铝层厚度δ10．02梯度层厚度δ20～0．4镍基体厚度δ339．98～40．38圆柱体直径D200刚性小球直径d60针对模型存在几何的对称性，简化图1所示的计算模型，建立如图2所示的模型坐标系，取坐标系所在平面与模型相交所得横断面进行分析。在ANSYS中建立图3所示的二维平面模型，分析该模型在压力载荷作用下应力应变，接触表面为x轴，取具有梯度结构圆柱体中心轴为y轴，初始接触点为坐标原点O。在小球中心处施加集中力载荷100N，并在接触区域建立赫兹接触对，对称轴y轴上施加对称约束，基体底部施加全约束。对靠近接触面的圆柱体特定区域进行网格细化，其网格沿着x轴方向划分50等份，每份长度40μm，沿着y轴方向划分250等份，每份长度10μm。图2模型坐标系Fig2Coordinatesystemofmodel图3有限元模型网格划分Fig3Finiteelementmeshofspecimen2Al2O3-Ni二组元梯度材料属性描述2.1梯度层组分分布形式假定镍-氧化铝组成的金属陶瓷复合材料中的氧化铝沿梯度层厚度即y轴方向呈现一维连续分布，氧化铝的体积分布是y的一元函数。文中氧化铝分布采用WAKASHIMA等［8］提出的幂函数分布形式，，氧化铝组元沿厚度方向上体积分布为Vf(y)=yδ()2p(1)式中:Vf(y)为氧化铝在梯度层中的体积分数;p为组元成分氧化铝分布指数;y为沿着Y轴方向梯度层厚度;δ2
【作者单位】： 汕头大学工学院;
【基金】：广东省自然科学基金项目(2014A030313479)
【分类号】：TQ174.1
本文编号：2523657
【图文】：
疲劳失效，零件划分为表层耐磨区和内部抗接触疲劳区，耐磨区和接触疲劳区之间采用梯度过渡。采用连续介质镍－镍/氧化铝梯度层－氧化铝模型描述这结构形式。梯度层是由系列中间层叠加而成“三明治”式结构，是分配不同的材料属性结合完好的复合中间层，材料物理性能为各向同性。采用如图1所示的刚性小球接触具有梯度结构圆柱体的弹塑性计算模型，模型起始处于自由应力状态，不考虑温度对材料属性的影响。模型中刚性小球直接接触厚度为δ1的氧化铝层，基体厚度为δ3，基体镍与氧化铝层间是厚度为δ2的梯度层。图1刚性小球接触具有梯度涂层结构圆柱体模型Fig1Modelofarigidballcontactingacylinderwithgradientcoatingstructure1.2模型几何特征和网格划分计算模型中的圆柱体总厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不变，增加梯度层厚度δ2，基体厚度δ3相应减少。表1给出了模型参数。靠近镍基体的梯度层中镍含量较大，靠近氧化铝层的梯度层中氧化铝含量较大，梯度层中氧化铝含量按一定的体积分布函数呈现梯度变化。表1模型参数Table1Modelparametersmm参数数值氧化铝层厚度δ10．02梯度层厚度δ20～0．4镍基体厚度δ339．98～40．38圆柱体直径D200刚性小球直径d60针对模型存在几何的对称性，简化图1所示的计算模型，建立如图2所示的模型坐标系，取坐标系所在平面与模型相交所得横断面进行分析。在ANSYS中建立图3所示的二维平面模型，分析该模型在压力载荷作用下应力应变，接触表面为x轴，取具有梯度结构圆柱体中心轴为y轴，初始接触点为坐标原点O。在小球中心处施加集中力载荷100N，并在接触区域建立赫兹接触对，对称轴y轴上施加对称约束，基体底部施加全约束。对靠近接触面的圆柱体特
何特征和网格划分计算模型中的圆柱体总厚度δ1+δ2+δ3=40.4mm不变，增加梯度层厚度δ2，基体厚度δ3相应减少。表1给出了模型参数。靠近镍基体的梯度层中镍含量较大，靠近氧化铝层的梯度层中氧化铝含量较大，梯度层中氧化铝含量按一定的体积分布函数呈现梯度变化。表1模型参数Table1Modelparametersmm参数数值氧化铝层厚度δ10．02梯度层厚度δ20～0．4镍基体厚度δ339．98～40．38圆柱体直径D200刚性小球直径d60针对模型存在几何的对称性，简化图1所示的计算模型，建立如图2所示的模型坐标系，取坐标系所在平面与模型相交所得横断面进行分析。在ANSYS中建立图3所示的二维平面模型，分析该模型在压力载荷作用下应力应变，接触表面为x轴，取具有梯度结构圆柱体中心轴为y轴，初始接触点为坐标原点O。在小球中心处施加集中力载荷100N，并在接触区域建立赫兹接触对，对称轴y轴上施加对称约束，基体底部施加全约束。对靠近接触面的圆柱体特定区域进行网格细化，其网格沿着x轴方向划分50等份，每份长度40μm，沿着y轴方向划分250等份，每份长度10μm。图2模型坐标系Fig2Coordinatesystemofmodel图3有限元模型网格划分Fig3Finiteelementmeshofspecimen2Al2O3-Ni二组元梯度材料属性描述2.1梯度层组分分布形式假定镍-氧化铝组成的金属陶瓷复合材料中的氧化铝沿梯度层厚度即y轴方向呈现一维连续分布，氧化铝的体积分布是y的一元函数。文中氧化铝分布采用WAKASHIMA等［8］提出的幂函数分布形式，，氧化铝组元沿厚度方向上体积分布为Vf(y)=yδ()2p(1)式中:Vf(y)为氧化铝在梯度层中的体积分数;p为组元成分氧化铝分布指数;y为沿着Y轴方向梯度层厚度;δ2
【作者单位】： 汕头大学工学院;
【基金】：广东省自然科学基金项目(2014A030313479)
【分类号】：TQ174.1
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 温小栋;俞林飞;马保国;干伟忠;;结构参数变化下梯度结构混凝土的抗压性能[J];解放军理工大学学报(自然科学版);2012年04期
2 孙盛扬;陶瓷涂层制品的展望[J];天津化工;1988年01期
3 ;日本开发出灭菌性陶瓷涂层[J];江苏化工;1999年05期
4 王相斌;;陶瓷涂层发展动向及前景[J];材料导报;1988年09期
5 周建初;;迅速发展的新型陶瓷涂层[J];江苏陶瓷;1989年03期
6 姜兆岭;前景广阔的陶瓷涂层[J];山东陶瓷;1994年03期
7 ;灭菌性陶瓷涂层[J];江苏陶瓷;1998年03期
8 ;灭菌性陶瓷涂层[J];中国矿业;1999年02期
9 何继宁,刘艳改,阎殿然,李香芝,周玉,贾德昌;金属表面Ni/Al-13wt%TiO_2/Al_2O_3梯度复合陶瓷涂层的腐蚀行为[J];陶瓷学报;2002年01期
10 ;金属表面陶瓷涂层及涂层复合性能的研究课题通过专家鉴定[J];河北工学院学报;1994年04期
相关硕士学位论文 前3条
1 李厚义;微复合Fe-Al/Al_2O_3陶瓷涂层的制备与性能研究[D];山东大学;2015年
2 石磊;稀土对脉冲放电合成复合陶瓷涂层的改性作用研究[D];汕头大学;2006年
3 薛颖;辊棒和自溃散陶瓷涂层的性能研究[D];西安理工大学;2009年
本文编号：2523657
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/2523657.html
