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Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜及Al薄膜对钢基体疲劳性能的影响

2020-12-10阅读(181)

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜及Al薄膜对钢基体疲劳性能的影响

论文摘要

一、采用真空阴极电弧离子镀技术在1Crl7Ni2马氏体型不锈钢表面制备了Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。采用SEM、划痕法、显微硬度分析法测试分析了该多层膜的结构、厚度、膜层附着性能和显微硬度；采用X射线衍射法测试分析了同工艺条件下制备的三个周期的Ti/TiN多层膜的内应力；通过拉伸实验和旋转弯曲疲劳实验研究了Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对lCrl7Ni2不锈钢静态力学性能和高周疲劳性能的影响,研究发现：1. Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的结构平整致密,平均厚度为11.7μtm,膜／基结合力约为56N,显微硬度在2880-3492HV之间。Ti/TiN多层膜（厚度约为3.2μm）的应力大小在-656±40～-895±62MPa之间。2. Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的沉积有利于lCrl7Ni2不锈钢的屈服强度、抗拉强度和疲劳性能的提高。其中屈服强度提高了2.34%,抗拉强度提高了3.49%,疲劳极限提高了约11.2%（膜层试样的疲劳极限为537MPa,基体试样的疲劳极限为483MPa）。当应力在540-650MPa范围内变化时,疲劳寿命增量随应力的增加而增加,从108%递增到246%。3.疲劳裂纹均起源于表面,在低应力水平下只有一个裂纹源,而高应力水平下有多个裂纹源；疲劳性能的提高主要是由于膜层能够弥补基体表面一定的缺陷,同时软硬交替的膜层结构有较强的抗裂纹扩展能力,以及膜层内具有较大的残余压应力,对裂纹的萌生与扩展有一定的阻碍作用。二、采用直流磁控溅射技术在15CrMnMoVA钢表面制备了纯Al薄膜。采用SEM、X射线衍射法和粘结试样拉伸法测试分析了该薄膜的结构、厚度、残余内应力及膜层附着性能。通过旋转弯曲疲劳实验研究了Al薄膜对15CrMnMoVA（?）冈高周疲劳性能的影响,研究发现：1.Al薄膜的晶粒均匀,呈柱状晶生长,其平均厚度为14.5μm,膜／基结合强度超过70MPa,内应力在-113±14～-137±9MPa之间。2.Al薄膜的沉积使15CrMnMoVA钢的疲劳极限提高了3.4%。其中膜层试样的疲劳极限为701.4MPa,基体试样的疲劳极限为678.5MPa。Al薄膜对基体材料的中等疲劳寿命影响不大或没有影响。3.基体试样的疲劳裂纹均萌生于试样表面,膜层试样的疲劳裂纹萌生于膜／基界面。Al薄膜提高基体材料疲劳极限的主要原因是膜层能够弥补基体表面一定的缺陷,对裂纹萌生有一定的阻碍作用。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 硬质多层膜
  • 1.2.1 硬质多层膜的研究背景
  • 1.2.2 多层膜的构成及特性
  • 1.2.3 硬质多层膜的研究状况
  • 1.2.4 TiN/ZrN多层膜的研究状况
  • 1.3 Al薄膜
  • 1.3.1 Al薄膜的研究背景
  • 1.3.2 Al薄膜的研究状况
  • 1.4 金属疲劳断裂的基础理论及高周疲劳
  • 1.4.1 疲劳断裂机理
  • 1.4.2 高周疲劳
  • 1.5 薄膜对基体材料疲劳性能的影响
  • 1.6 本课题的研究内容与研究路线
  • 第二章 薄膜的制备与性能表征
  • 2.1 薄膜的制备
  • 2.1.1 Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的制备
  • 2.1.2 Al薄膜的制备
  • 2.2 薄膜性能表征方法
  • 2.2.1 薄膜表面与截面形貌分析
  • 2.2.2 薄膜厚度测试
  • 2.2.3 显微硬度测试
  • 2.2.4 薄膜表面粗糙度测试
  • 2.2.5 膜/基结合性能测试
  • 2.2.6 X射线残余应力测试
  • 2.3 试验结果与讨论
  • 2.3.1 Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的性能
  • 2.3.2 Al薄膜的性能
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 TI/TiN/Zr/ZrN多层膜对1Cr17Ni2不锈钢疲劳性能的影响
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验方法
  • 3.2.1 试样制备
  • 3.2.2 拉伸实验
  • 3.2.3 疲劳实验
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 膜层对基体材料屈服强度和抗拉强度的影响
  • 3.3.2 疲劳极限
  • 3.3.3 应力-疲劳寿命关系（S-N曲线）
  • 3.3.4 断口形貌分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 Al薄膜对15CrMnMoVA钢疲劳性能的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验方法
  • 4.2.1 试样制备
  • 4.2.2 疲劳实验
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 疲劳极限
  • 4.3.2 应力-疲劳寿命关系（S-N曲线）
  • 4.3.3 断口形貌分析
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 对比分析两种薄膜对钢基体疲劳性能的影响规律
  • 5.1 Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜与Al薄膜性能对比
  • 5.2 两种薄膜对钢基体材料疲劳性能的影响
  • 5.3 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

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