金属基环氧/聚氨酯梯度耐磨涂层的力学性能研究及有限元分析

论文摘要

梯度功能材料(FGM)是一种由不同性能的材料在组成和结构上沿厚度方向呈连续变化的新型复合材料。环氧/聚氨酯(EP/PU)梯度涂层复合材料具有高强度、耐蚀、耐磨等优异性能，已成为当前材料的研究热点。为获得具有良好的热应力缓和特性和耐磨性的材料，本文模拟了热喷涂法制备兼有EP和PU特性的梯度涂层材料的过程。EP/PU梯度材料的过渡层的性能也随着成分的变化而变化。对于热喷涂制备的热应力缓和型EP/PU系梯度涂层材料，本文采用ANSYS有限元软件，利用生死单元法对热喷涂法制备涂层的过程进行仿真，分析了该梯度涂层材料的残余热应力；然后对EP/PU系梯度涂层进行压痕、划痕试验的仿真计算。结果表明：(1)当功能梯度材料的梯度成分指数p为1时，层数越多则残余热应力越小；层厚越小残余热应力越小；(2)对梯度涂层的热喷涂过程进行仿真计算，发现温度场的变化情况为：喷涂刚开始时，温度骤升并且每层的温度都在不断升高，冷却完毕时，整体温度达到室温；应力场的情况和温度场的相反，应力场每层的应力都在不断下降，直到冷却完毕，残余应力比热喷涂过程中的应力都小；(3)与厚涂层相比，薄涂层的摩擦系数小，有更好的减摩耐磨性，该结果与试验研究结果相吻合；(4)减小基体与涂层的界面应力，是提高涂层性能的一个重要方面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题意义
• 1.2 梯度功能涂层的国内外研究现状
• 1.2.1 热障涂层领域的研究成果
• 1.2.2 耐磨涂层领域的研究成果
• 1.2.3 耐蚀涂层领域的研究成果
• 1.2.4 生物功能梯度涂层领域的研究成果
• 1.3 研究方向
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 有限元仿真的基础理论
• 2.1 ANSYS弹塑性分析
• 2.2 ANSYS接触分析
• 2.2.1 识别接触面和目标面的方法
• 2.2.2 指定接触面和目标面的方法
• 2.2.3 接触算法的选择
• 2.2.4 常用的实常数
• 2.3 非线性方程的求解方案
• 2.3.1 牛顿—拉普森（Newton-Raphson）求解
• 2.3.2 收敛准则
• 第3章 热喷涂温度场及残余热应力的数值模拟
• 3.1 物理模型
• 3.2 材料的物性参数
• 3.3 有限元模型
• 3.4 初始条件和边界条件
• 3.5 数值模拟方案
• 3.6 生死单元法简介
• 3.7 本章小结
• 第4章 热应力的数值模拟结果分析
• 4.1 梯度层数的选择
• 4.2 梯度层厚度的选择
• 4.3 应力场分布
• 4.4 热喷涂过程仿真
• 4.4.1 温度场结果分析
• 4.4.2 热应力计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 微/纳米力学测试技术概论
• 5.1 纳米压痕和划痕技术的发展
• 5.2 压痕法
• 5.2.1 纳米压痕硬度测量原理
• 5.2.2 纳米压痕硬度测试原理
• 5.2.3 压头几何形状的选择
• 5.3 划痕法
• 5.3.1 划痕法的基本原理
• 5.3.2 划入方式
• 5.4 小结
• 第6章 涂层在法向和切向力作用下接触过程数值模拟结果分析
• 6.1 二维弹塑性分析
• 6.1.1 有限元模型
• 6.1.2 压痕试验的仿真
• 6.1.3 划痕试验仿真
• 6.1.4 实验分析与数值模拟比较
• 6.2 三维弹塑性分析
• 6.2.1 计算模型
• 6.2.2 结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目