涂层裂纹失效过程的数值模拟

发布时间：2020-04-27 12:36

【摘要】： 耐磨涂层广泛应用于机械零部件的表面,以提高摩擦表面局部区域的抗磨损能力、延长零部件的使用寿命,以达到节约材料、降低成本的目的。但涂层在实际应用中却存在不足,主要表现在;(1)涂层与基体结合界面、涂层本身的加工和材料缺陷;(2)在循环载荷作用下涂层界面容易产生裂纹,导致涂层失效甚至与基体剥离。如在飞机零件、压力容器、管道系统中往往存在促使涂层失效的表面裂纹,并易造成重大事故和经济损失。研究这些涂层裂纹的生成、扩展机理和规律,以作为工程应用的理论基础,是个十分重要并亟待解决的热门研究课题。 本文使用有限元方法重点研究类金刚石陶瓷涂层和TiN涂层在刚性球静态和滑动两种状态下裂纹前沿的J积分值、应力应变和裂纹的扩展等规律。计算了界面裂纹和表面裂纹在不同载荷、不同基体弹性模量和不同裂纹参数条件下的疲劳寿命。分析了压头半径对塑性变形的影响,模拟结果表明;(1)陶瓷涂层厚度和压头半径之比对涂层失效、基体塑性变形及裂纹的形成有显著影响;(2)在刚性球压头静态挤压条件下,陶瓷涂层中的预制裂纹按照椭圆形裂纹规律扩展;(3)陶瓷涂层的疲劳寿命与基体和载荷有很大关系,基体弹性模量越小,疲劳寿命延长。载荷增大,疲劳寿命急剧下降;(4)陶瓷涂层厚度、粘层厚度、基体材料弹性模量、裂纹长度与深度之比和裂纹深度与涂层厚度比对J积分值均有显著影响;(5)在TiN涂层中,分析了裂纹前沿关键点位置的应力应变,应力和应变在有裂纹和无裂纹时有很大的差别;(6)TiN涂层裂纹前沿进入塑性后等分点位置三个积分环的J积分值相差越来越大;(7)建立了涂层在弹塑性情况下裂纹扩展模型,模拟分析了TiN涂层界面和表面裂纹的扩展规律,TiN涂层的裂纹扩展模式和陶瓷涂层不同;(8)在载荷、涂层厚度、裂纹深度与涂层厚度之比一定的情况下,基体弹性模量越小,涂层疲劳寿命延长。
【图文】：

于基体塑性变形引起的，，那么基体的失效发生在两个不同的位置，这主要取决于涂层厚度和压头半径的比率。当涂层厚度与压头半径的比为0.01时，基体中最大剪应力首先在界面下达到屈服应力，如图3一2。当涂层厚度与压头半径的比为0.1时，基体屈服首先发生在界面上，如图3一3。图3一2基体塑性屈服位置(可R=0.01)图3一3基体塑性屈服位置(1公R=0.1)3.4涂层失效在涂层中，最大主应力达到断裂强度时涂层就发生失效。断裂可能发生在不同的位置，这主要取决于涂层厚度和基体塑性区域的扩展。为了研究不

同的涂层厚度与压头半径的比值对涂层中主应力的影响，现分别取拟R为20，2，0.2，0.02进行讨论，在每个比值中，载荷调整到使最大主应力达到断裂的临界值20GPa。如图3一4至图3一7。(1)h/R二20对于厚度比较大的涂层，基体在涂层断裂前不会发生塑性应变。图3一4中压头的应力分布没有列出。从图中可以看出，除了在涂层与压头接触表面有比较大的张应力外，在接触下方靠近基体部分涂层有很大的张应力，因此，涂层表面容易发生裂纹，且如果接触半径和压头半径相差不大时，涂层下部分也很容易形成裂纹。g，阅.盆.PrineiPal《几”..Crit.性75毛)(10e12Pa) +2000e一02一1二93口一02一1.，21一02奋 1.54，e一02
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH117.1

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

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1 刘青峰;疲劳裂纹扩展速率与门槛值自动化测试系统研究[D];北京工业大学;2000年

2 肖方红;基于小裂纹扩展的疲劳全寿命计算方法研究[D];西北工业大学;2001年

本文编号：2642265