基于贝壳珍珠层特征的金属仿生设计和电弧增材制造研究

发布时间：2018-02-23 13:23

本文关键词： 仿生贝壳结构设计电弧增材制造力学　出处：《南京理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：天然贝壳的组成结构与力学性能之间存在最佳的匹配规律。贝壳的珍珠层有着"软-硬"交织的层状复合结构和优异的力学性能,这为高性能仿生材料的设计及制造提供了新思路。在研究生物材料的过程中不断开发仿生材料制造新方法已成为研究重点。本文以背角无齿蚌为研究对象,探究其材料组成、微观结构及力学性能特征,分析总结其组成结构与力学性能之间的关系。仿照贝壳珍珠层的结构特点,进行仿生金属结构件的设计,通过TIG电弧增材制造方法打印出具有仿贝壳珍珠层结构的金属结构件,并对其显微组织及力学性能进行研究,用以验证天然贝壳材料的强韧化机制。背角无齿蚌主要成分是CaCO_3,由棱柱层和珍珠层构成。密度分布四周较大,向顶部收拢过程中逐渐减小。新鲜贝壳抗弯强度为29.8MPa,加热后明显降低,为3.37MPa。棱柱层的硬度为4～5GPa,弹性模量为60GPa左右;珍珠层的硬度为3.5GPa,弹性模量为70GPa左右,棱柱层比珍珠层硬度大而抗弹性变形能力差。珍珠层的裂纹扩展路径说明,"软硬"交织的结构特征是珍珠层强韧化的关键因素。分析总结得出天然贝壳材料的增韧机制主要有:裂纹偏转、文石片拔出和有机质的连接。仿生电弧增材制造中的焊缝宽度、高度和焊接速度成反比,和焊接电流成正比。搭接率的增加可以提高堆积层上表面的平整度,成形质量更好,搭接率η=33%,成形质量最佳;搭接率η大于50%时容易造成金属结构件向一侧或两侧坍塌。不锈钢结构件底部焊缝的组织为胞状Y奥氏体,夹杂极少蠕虫状δ铁素体;中部组织为γ奥氏体+δ铁素体;最后一层焊缝的组织为β+δ两相区和β相区,其中γ相区又分为胞状β相区和柱状β相区。沿着堆积方向从下到上,晶粒越来越细小;重熔区组织的生长方向垂直于熔合线指向熔池中心;结构件内部组织呈从下往上生长趋势,顶部区域组织生长方向随散热方向改变而发生改变。不锈钢和高氮钢沿堆积方向的硬度从下到上逐渐上升,高氮钢硬度局部呈"V"形变化;两种材料交织结构件的硬度变化趋势呈正弦波形状,波峰为高氮钢硬度,波谷为不锈钢硬度。不锈钢、高氮钢和两种材料交织结构件沿垂直于堆积方向的抗拉强度和塑性都优于堆积方向,不锈钢相对于高氮钢强度小、塑性高;两种材料交织结构件塑性大于高氮钢,低于不锈钢,强度大于不锈钢,低于高氮钢;随高氮钢与不锈钢层数比的增加,其抗拉强度增大而塑性减小;不锈钢、高氮钢沿垂直于单元层方向的冲击功小于平行于单元层方向,高氮钢抗冲击性能小于不锈钢;两种材料交织结构件的冲击功相对高氮钢有所提升,但未达到不锈钢水平,且随高氮钢与不锈钢层数比的增大而减小。
[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 .

【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG661;TB391

【参考文献】