梯度结构硬质合金残余热应力的数值模拟

论文摘要

本研究主要采用有限元方法分析了梯度结构硬质合金在制备过程中形成的宏观热应力,同时对于均质硬质合金内部微观热应力采用有限元方法中的单胞模型进行分析,并与Eshelby理论模型进行比较。为了验证模型和分析结果的正确性,利用SEM、XRD、EDAX等现代材料分析与测试手段,对梯度结构硬质合金的成分、组织结构与性能之间的关系进行了必要研究,得到以下结论:（1）通过渗碳制备了具有三层结构的梯度硬质合金,外层贫钴,中间层富钴,芯部为渗碳前的名义钴含量,该合金在硬度和韧性方面均优于常规的均质硬质合金。（2）通过定义弹性约束因子,运用修正的混合律,建立了梯度硬质合金的弹性本构关系,即得到了简化的体积比相关的复合材料杨氏模量表达式,同时采用简单的混合律得到两相复合材料热膨胀系数和泊松比表达式,该模型可以通过有限元软件MSC.Marc2005实现,计算表明:渗碳后硬质合金在温度从800℃下降到室温时,材料表面产生了压应力,在富钴区产生了拉应力,要使表面存在500-700MPa的压应力以阻止热裂纹产生,合金内钴的名义含量应在15wt.%以上。（3）采用材料常数随温度变化的弹塑性本构关系有限元单胞模型分析了均质硬质合金内部残余热应力。计算表明,增强相钴相内最大拉应力为1400MPa,基体碳化钨相内最大压应力为1064MPa;当钴相为非理想的椭球形状（这里为圆柱形）时,钴相内部有较大的等效应力（565MPa）,且在应力集中处有塑性流动。（4）通过引入塑性约束因子,建立两相梯度复合材料弹塑性变形的本构关系,较之以前研究者们建立的塑性本构,该塑性本构模型的屈服准则是温度相关和体积比相关的,并可以通过有限元软件MSC.Marc2005实现,更符合客观实际,计算表明:相对于完全弹性,渗碳后硬质合金引入塑性变形时,最大轴向应力为750MPa,而最大等效应力为600MPa,下降了70%。（5）对于脱氮后得到的梯度硬质合金,采用同样方法,建立了弹塑性本构关系,分析制备时产生的宏观残余热应力,计算得出:表面两相区存在拉应力,向内逐渐过度到压应力,两相区最大拉应力为140MPa,而芯部最大压应力为120MPa。（6）采用有限元方法分析了均质基体和梯度基体单层和多层复合涂层内部宏观残余热应力。TiC/Al2O3/TiN复合涂层温度从800℃下降到0℃时,在TiN涂层内以拉应力为主,在硬质合金基体内以压应力为主。另外,TiC涂层内,表现为拉应力,Al2O3涂层为一应力低谷,夹在两个高峰之间。（7）采用XRD方法测试了渗碳后梯度硬质合金表面宏观残余应力,与有限元计算有较好的符合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 硬质合金发展历程
• 1.3 梯度结构硬质合金
• 1.4 有限元方法
• 1.4.1 基本原理和数理概念
• 1.4.2 Marc程序介绍
• 1.4.3 Marc热传导分析
• 1.4.4 Marc热应力分析
• 1.5 硬质合金残余热应力分析
• 1.6 功能梯度材料的热应力分析
• 1.6.1 硬质涂层的本征应力
• 1.6.2 梯度基体残余应力的XRD分析
• 1.6.3 表面梯度区对涂层裂纹扩展的影响
• 1.6.4 梯度多层结构热弹性形变的解析解
• 1.6.5 von Mises连续体塑性模型
• 1.6.6 晶体塑性模型
• 1.7 项目来源及研究内容
• 第二章 均质硬质合金残余热应力分析
• 2.1 本征应变问题
• 2.2 硬质合金热应力的ESHELBY模型
• 2.3 硬质合金热应力的数值模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 残余应力的X射线衍射分析
• 3.1 X射线残余应力测定原理
• 3.2 实验结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 梯度硬质合金有效性质的确定
• 4.1 混合律近似
• 4.2 修正的混合律近似
• 4.3 弹性约束系数和塑性约束系数
• 4.4 热传导系数的确定
• 4.5 热膨胀系数的实验测定
• 4.6 硬质合金有效弹性响应的数值方法
• 4.7 本章小结
• 第五章 渗碳处理梯度硬质合金热应力的数值模拟
• 5.1 硬质合金的渗碳处理
• 5.2 渗碳处理有限元分析
• 5.2.1 热应力的形成和分布
• 5.2.2 钴含量和钴相浓度差的影响
• 5.2.3 渗碳时间的影响
• 5.3 梯度球齿残余热应力分析
• 5.3.1 实验
• 5.3.2 有限元模型
• 5.3.3 数值结果
• 5.4 梯度基体金刚石涂层的热应力分析
• 5.4.1 有限元模型
• 5.4.2 数值结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 脱氮处理梯度硬质合金热应力的数值模拟
• 6.1 硬质合金的脱氮处理
• 6.2 脱氮硬质合金的有限元模型
• 6.3 梯度基体涂层残余热应力的数值模拟
• 6.4 本章小结
• 第七章 硬质合金涂层热应力的数值模拟
• 7.1 金刚石涂层的热应力分析
• 7.1.1 有限元模型
• 7.1.2 数值结果
• 7.2 金刚石颗粒镀膜的热应力分析
• 7.2.1 有限元模型
• 7.2.2 数值结果
• 7.3 过渡层对TIALN涂层热应力的缓和
• 7.2.1 无过渡层时应力大小及分布
• 7.2.2 涂层厚度和基体参数对残余应力的影响
• 7.2.3 过渡层对热应力的缓和
• 7.2.4 塑性屈服对应力分布的影响
• 7.4 复合涂层热应力的数值模拟
• 7.5 本章小结
• 第八章 主要结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要研究成果
• 致谢