TiN涂层疲劳损伤的有限元分析

论文摘要

表面涂层技术在工程中的应用愈来愈广泛，机器零部件的配合部位涂敷耐磨涂层后，能有效地提高接触区域内的抗摩擦磨损能力，延长零部件的使用寿命。涂层与基体的结合界面由于加工工艺、材料性能的原因，存在各种缺陷，可能出现疲劳破坏；两类材料性能的不同，界面将出现较大的应力突变，影响到涂层／基体系统的疲劳性能。因此研究涂层／基体的疲劳特性，对其疲劳损伤失效过程作数值模拟具有重要的理论意义和工程价值。本文采用有限元软件ABAQUS对涂层／基体系统的疲劳损伤过程进行了二维和三维有限元数值模拟分析，结合损伤力学中的损伤能量释放率断裂准则，定义了损伤的演化过程，以便模拟涂层／基体的损伤和扩展过程。把整个过程模拟成一个逐步加载的准静态过程，应用显示时间积分方法求解。分别研究了TiN涂层／基体在一次加载条件下的破坏过程，在切向、径向循环加载作用下的疲劳过程，以及涂层／基体中的应力、应变和塑性累积情况，并详细讨论了摩擦系数、外部载荷、涂层厚度对疲劳寿命的影响。通过对TiN涂层／基体系统的数值模拟分析，得到了涂层／基体系统疲劳失效的一些典型规律：(1)、涂层基体的初始损伤首先出现在交界面处，然后沿界面并向基体中扩展，最后导致涂层断裂而发生剥落失效；(2)、在切向滑动和径向挤压循环载荷作用下，交界面处的塑性损伤主要是由剪应力τ产生，塑性累积也是由于△τ的变化引起，说明循环过程中剪应力变化是影响涂层接触疲劳破坏的主要因素；(3)、材料摩擦系数、外界载荷大小以及涂层厚度都对涂层／基体系统的承载能力以及疲劳寿命都有一定影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 涂层的应力、应变分析
• 1.2.2 涂层疲劳性能及裂纹分析
• 1.3 接触问题简介
• 1.3.1 接触理论的形成与发展
• 1.3.2 接触问题的求解方法
• 1.4 损伤理论简介
• 1.4.1 损伤力学及其发展简介
• 1.4.2 损伤概念用于低周疲劳研究现状
• 1.5 本文研究的内容
• 第2章 TiN涂层/基体的损伤破坏分析
• 2.1 引言
• 2.2 延性金属损伤理论
• 2.3 引入损伤变量的有限元分析
• 2.3.1 显示时间积分描述
• 2.3.2 ABAQUS中金属的延性塑性损伤准则和损伤演化
• 2.4 涂层/基体损伤破坏的三维有限元模型
• 2.5 计算结果分析
• 2.5.1 一次加载破坏分析
• 2.5.2 涂层承载能力分析
• 2.6 小结
• 第3章 切向循环加载下TiN/涂层基体的疲劳分析
• 3.1 引言
• 3.2 循环加载下的材料特性
• 3.2.1 材料的循环特性
• 3.2.2 ABAQUS中材料承受循环载荷模型
• 3.3 循环滑动加载的计算模型
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 循环滑动计算结果分析
• 3.4.2 对涂层疲劳性能的影响参数
• 3.5 小结
• 第4章 径向加载下TiN涂层/基体的疲劳分析
• 4.1 引言
• 4.2 径向循环加载的计算模型
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 径向循环加载计算结果分析
• 4.3.2 对涂层疲劳性能的影响参数
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文