金屬陶瓷硬質覆層零件設計理論及其可靠性研究.pdf

1、金屬陶瓷硬質覆層零件是利用先進涂覆層技術在基體零件上涂覆金屬陶瓷硬質覆層而得到的新型層狀復合材料零件，可廣泛應用于耐磨抗蝕、耐疲勞抗氧化及耐高溫場合。針對目前缺乏系統的適應于金屬陶瓷硬質覆層零件設計理論的現狀，本文在對金屬陶瓷硬質覆層材料等效性能研究的基礎上，對覆層零件在典型服役條件下的設計理論及其可靠性進行了系統研究，為進一步擴大該新型覆層零件的應用領域奠定了理論基礎。 提出了金屬陶瓷硬質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、覆層厚度等參數之間的理論關系模型，并進行了實驗研究。建立了金屬陶瓷硬質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覆層材料的等效抗彎強度理論模型，并進行了實驗研究。結果表明，材料的等效抗彎強度隨著覆層厚度的增加而增加；覆層受壓時，材料首先在硬質覆層的最大壓應力點發(fā)生破壞，而覆層受拉時，材料首先在硬質覆層的最大拉應力點發(fā)生破壞。針對覆層受壓，

3、提出了基于等效抗彎強度進行硬質覆層零件設計時，應該以覆層部分材料的抗壓強度而不是以基體材料的抗拉強度為設計準則。對金屬陶瓷硬質覆層材料的等效屈服強度、界面拉伸強度和界面剪切強度隨覆層厚度的變化規(guī)律進行了實驗研究。 提出了磨損載荷作用下金屬陶瓷硬質覆層零件的設計準則，即基于允許磨損量、等效最大剪切應力和界面剪切強度的設計準則。建立了覆層零件磨損量、等效最大剪切應力以及界面最大剪切應力理論模型，并進行了實例和有限元研究。結果表明，當

4、零件總厚度不變時，硬質覆層零件的等效最大剪切應力和界面最大剪切應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。 對基于裂紋擴展的金屬陶瓷硬質覆層零件的設計理論進行了研究，提出了一個適應于硬質覆層零件的、用于判斷界面裂紋擴展方向的新參數，即界面裂紋擴展方向的相對擴展性能參數CP。 對基于平行并位于界面的裂紋擴展的金屬陶瓷硬質覆層零件設計準則進行了理論和實例研究。理論分析了該界面裂紋分別向硬質覆

5、層內偏折、向基體內偏折、沿界面三個方向擴展的相對擴展性能參數。提出了平行并位于界面的裂紋擴展準則，根據該準則，實例分析了該界面裂紋分別沿三個方向擴展的最大能量釋放率、相對擴展性能參數及擴展角與載荷作用角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之間的關系。結果表明，對于實例中所研究的金屬陶瓷硬質覆層零件，其平行并位于界面的裂紋首先向硬質覆層內擴展。 對基于垂直并停留在界面的裂紋擴展的金屬陶瓷硬質覆層零件

6、設計準則進行了理論和實例研究。理論分析了該界面裂紋沿五個可能擴展方向(分別從兩個方向向硬質覆層內偏折，向基體內偏折，分別從兩個方向沿界面偏折)的相對擴展性能參數。提出了垂直并停留在界面的裂紋擴展準則，基于該擴展準則實例分析了界面裂紋沿五個可能擴展方向的最大能量釋放率、相對擴展性能參數及擴展角與ψ、h1/h、Q及E1/E2之間的關系。結果表明，對于本例中的金屬陶瓷硬質覆層零件，其垂直并停留在界面的裂紋最不容易向基體內擴展，最容易向硬質覆層

7、內偏折。 對基于斜跨界面裂紋擴展的金屬陶瓷硬質覆層零件設計準則進行了理論和實例研究。理論分析了斜跨界面裂紋起始擴展位置分別位于硬質覆層內和基體內的相對擴展性能參數。提出了硬質覆層零件內斜跨界面裂紋的擴展準則，實例計算了斜跨界面裂紋分別在硬質覆層內、基體內擴展的最大能量釋放率、相對擴展性能參數和擴展角，分析了這三個擴展參數分別隨ψ、h1/h、Q、E1/E2、裂紋傾斜角β1以及裂紋分別在硬質覆層和基體內的長度比a1/a2的變化規(guī)律。

8、結果表明，本實例中研究的金屬陶瓷硬質覆層零件內的斜跨界面裂紋總是首先在硬質覆層內發(fā)生擴展。 對穩(wěn)定熱載荷作用下的金屬陶瓷硬質覆層零件的設計準則進行了理論和有限元研究。提出了硬質覆層零件在穩(wěn)定熱載荷作用下的設計準則，即基于硬質覆層部分材料抗拉強度、界面拉伸強度及界面剪切強度的設計準則。利用瑞利-里茨法求解了穩(wěn)定熱載荷作用下零件內的熱應力場。分別建立了硬質覆層內最大拉應力σ1max、零件界面最大拉應力σzimax和界面最大剪切應力τ

9、imax的理論模型。對硬質覆層零件內的熱應力進行了有限元研究，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差α2-α1之間的關系。結果表明，三個應力均隨著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。 根據金屬陶瓷硬質覆層零