涂層裂紋失效過程的數(shù)值模擬.pdf

1、耐磨涂層廣泛應(yīng)用于機械零部件的表面，以提高摩擦表面局部區(qū)域的抗磨損能力、延長零部件的使用壽命，以達(dá)到節(jié)約材料、降低成本的目的。但涂層在實際應(yīng)用中卻存在不足，主要表現(xiàn)在：(1)涂層與基體結(jié)合界面、涂層本身的加工和材料缺陷；(2)在循環(huán)載荷作用下涂層界面容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致涂層失效甚至與基體剝離。如在飛機零件、壓力容器、管道系統(tǒng)中往往存在促使涂層失效的表面裂紋，并易造成重大事故和經(jīng)濟(jì)損失。研究這些涂層裂紋的生成、擴展機理和規(guī)律，以作為工程應(yīng)用

2、的理論基礎(chǔ)，是個十分重要并亟待解決的熱門研究課題。 本文使用有限元方法重點研究類金剛石陶瓷涂層和TiN涂層在剛性球靜態(tài)和滑動兩種狀態(tài)下裂紋前沿的J積分值、應(yīng)力應(yīng)變和裂紋的擴展等規(guī)律。計算了界面裂紋和表面裂紋在不同載荷、不同基體彈性模量和不同裂紋參數(shù)條件下的疲勞壽命。分析了壓頭半徑對塑性變形的影響，模擬結(jié)果表明：(1)陶瓷涂層厚度和壓頭半徑之比對涂層失效、基體塑性變形及裂紋的形成有顯著影響；(2)在剛性球壓頭靜態(tài)擠壓條件下，陶瓷涂

3、層中的預(yù)制裂紋按照橢圓形裂紋規(guī)律擴展；(3)陶瓷涂層的疲勞壽命與基體和載荷有很大關(guān)系，基體彈性模量越小，疲勞壽命延長。載荷增大，疲勞壽命急劇下降；(4)陶瓷涂層厚度、粘層厚度、基體材料彈性模量、裂紋長度與深度之比和裂紋深度與涂層厚度比對J積分值均有顯著影響；(5)在TiN涂層中，分析了裂紋前沿關(guān)鍵點位置的應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)力和應(yīng)變在有裂紋和無裂紋時有很大的差別；(6)TiN涂層裂紋前沿進(jìn)入塑性后等分點位置三個積分環(huán)的J積分值相差越來越大；(7