金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件設(shè)計(jì)理論及其可靠性研究.pdf

1、金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件是利用先進(jìn)涂覆層技術(shù)在基體零件上涂覆金屬陶瓷硬質(zhì)覆層而得到的新型層狀復(fù)合材料零件，可廣泛應(yīng)用于耐磨抗蝕、耐疲勞抗氧化及耐高溫場(chǎng)合。針對(duì)目前缺乏系統(tǒng)的適應(yīng)于金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件設(shè)計(jì)理論的現(xiàn)狀，本文在對(duì)金屬陶瓷硬質(zhì)覆層材料等效性能研究的基礎(chǔ)上，對(duì)覆層零件在典型服役條件下的設(shè)計(jì)理論及其可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為進(jìn)一步擴(kuò)大該新型覆層零件的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了理論基礎(chǔ)。 提出了金屬陶瓷硬質(zhì)覆層材料的等效彈性模量的概念，建立了其

2、等效彈性模量與組成材料彈性模量、熱膨脹系數(shù)、覆層厚度等參數(shù)之間的理論關(guān)系模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。建立了金屬陶瓷硬質(zhì)覆層材料等效泊松比和等效剪切模量理論模型。 建立了覆層受壓和受拉兩種作用方式下金屬陶瓷硬質(zhì)覆層材料的等效抗彎強(qiáng)度理論模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，材料的等效抗彎強(qiáng)度隨著覆層厚度的增加而增加；覆層受壓時(shí)，材料首先在硬質(zhì)覆層的最大壓應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生破壞，而覆層受拉時(shí)，材料首先在硬質(zhì)覆層的最大拉應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生破壞。針對(duì)覆層受壓，

3、提出了基于等效抗彎強(qiáng)度進(jìn)行硬質(zhì)覆層零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以覆層部分材料的抗壓強(qiáng)度而不是以基體材料的抗拉強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)金屬陶瓷硬質(zhì)覆層材料的等效屈服強(qiáng)度、界面拉伸強(qiáng)度和界面剪切強(qiáng)度隨覆層厚度的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 提出了磨損載荷作用下金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即基于允許磨損量、等效最大剪切應(yīng)力和界面剪切強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。建立了覆層零件磨損量、等效最大剪切應(yīng)力以及界面最大剪切應(yīng)力理論模型，并進(jìn)行了實(shí)例和有限元研究。結(jié)果表明，當(dāng)

4、零件總厚度不變時(shí)，硬質(zhì)覆層零件的等效最大剪切應(yīng)力和界面最大剪切應(yīng)力均隨著覆層厚度的增大而減小、隨著磨損載荷的增大而增大、并與摩擦副材料有關(guān)。 對(duì)基于裂紋擴(kuò)展的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)適應(yīng)于硬質(zhì)覆層零件的、用于判斷界面裂紋擴(kuò)展方向的新參數(shù)，即界面裂紋擴(kuò)展方向的相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)CP。 對(duì)基于平行并位于界面的裂紋擴(kuò)展的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了理論和實(shí)例研究。理論分析了該界面裂紋分別向硬質(zhì)覆

5、層內(nèi)偏折、向基體內(nèi)偏折、沿界面三個(gè)方向擴(kuò)展的相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)。提出了平行并位于界面的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則，實(shí)例分析了該界面裂紋分別沿三個(gè)方向擴(kuò)展的最大能量釋放率、相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)及擴(kuò)展角與載荷作用角ψ、覆層厚度比h1/h、載荷Q大小及零件組成材料彈性模量比E1/E2之間的關(guān)系。結(jié)果表明，對(duì)于實(shí)例中所研究的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件，其平行并位于界面的裂紋首先向硬質(zhì)覆層內(nèi)擴(kuò)展。 對(duì)基于垂直并停留在界面的裂紋擴(kuò)展的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件

6、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了理論和實(shí)例研究。理論分析了該界面裂紋沿五個(gè)可能擴(kuò)展方向(分別從兩個(gè)方向向硬質(zhì)覆層內(nèi)偏折，向基體內(nèi)偏折，分別從兩個(gè)方向沿界面偏折)的相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)。提出了垂直并停留在界面的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，基于該擴(kuò)展準(zhǔn)則實(shí)例分析了界面裂紋沿五個(gè)可能擴(kuò)展方向的最大能量釋放率、相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)及擴(kuò)展角與ψ、h1/h、Q及E1/E2之間的關(guān)系。結(jié)果表明，對(duì)于本例中的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件，其垂直并停留在界面的裂紋最不容易向基體內(nèi)擴(kuò)展，最容易向硬質(zhì)覆層

7、內(nèi)偏折。 對(duì)基于斜跨界面裂紋擴(kuò)展的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了理論和實(shí)例研究。理論分析了斜跨界面裂紋起始擴(kuò)展位置分別位于硬質(zhì)覆層內(nèi)和基體內(nèi)的相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)。提出了硬質(zhì)覆層零件內(nèi)斜跨界面裂紋的擴(kuò)展準(zhǔn)則，實(shí)例計(jì)算了斜跨界面裂紋分別在硬質(zhì)覆層內(nèi)、基體內(nèi)擴(kuò)展的最大能量釋放率、相對(duì)擴(kuò)展性能參數(shù)和擴(kuò)展角，分析了這三個(gè)擴(kuò)展參數(shù)分別隨ψ、h1/h、Q、E1/E2、裂紋傾斜角β1以及裂紋分別在硬質(zhì)覆層和基體內(nèi)的長(zhǎng)度比a1/a2的變化規(guī)律。

8、結(jié)果表明，本實(shí)例中研究的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件內(nèi)的斜跨界面裂紋總是首先在硬質(zhì)覆層內(nèi)發(fā)生擴(kuò)展。 對(duì)穩(wěn)定熱載荷作用下的金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了理論和有限元研究。提出了硬質(zhì)覆層零件在穩(wěn)定熱載荷作用下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即基于硬質(zhì)覆層部分材料抗拉強(qiáng)度、界面拉伸強(qiáng)度及界面剪切強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。利用瑞利-里茨法求解了穩(wěn)定熱載荷作用下零件內(nèi)的熱應(yīng)力場(chǎng)。分別建立了硬質(zhì)覆層內(nèi)最大拉應(yīng)力σ1max、零件界面最大拉應(yīng)力σzimax和界面最大剪切應(yīng)力τ

9、imax的理論模型。對(duì)硬質(zhì)覆層零件內(nèi)的熱應(yīng)力進(jìn)行了有限元研究，分析了σ1max、σzimax及τimax與溫度差T、覆層厚度比h1/h及零件組成材料熱膨脹系數(shù)差α2-α1之間的關(guān)系。結(jié)果表明，三個(gè)應(yīng)力均隨著T的增加而增加；σ1max隨著h1/h的增加而下降，τimax隨著h1/h的增加而增大，σzimax隨著h1/h的增加首先下降然后上升；σ1max、Qzimax和τimax均隨著α2-α1的增加而增加。 根據(jù)金屬陶瓷硬質(zhì)覆層零