摩擦系数f与涂层弹性模量Ec对超硬膜／基体系承载能力影响的研究

本文研究了摩擦系数f、除层弹性模量Ec对气相沉积超硬涂层膜/基体系承载能力的影响规律，获得了不同的Ec及f条件下膜/基界面两侧的应力的分布规律，以及应力极值随参数Ec与f的变化曲线，指出摩擦系数的最佳范围为f≤0。25；涂层膜量Ec应尽可能与底材模量接近，并指出f对超硬涂层的失效形式的影响；随着f增大，膜/基体系失效形式由底材屈服导致涂层拉裂，转化为涂层剪断与剥离，其结论为正确选用合适的涂层、基体材料、沉积工艺及确定膜/基体系应用工况提供了依据。     

单层涂层最佳厚度的有限元分析

采用有限元数值计算的方法对TiN、TiC、Si3 N4及SiC四种材料的硬涂层体系表面下的应力分布进行了模拟分析。结果表明 ,对于TiN材料 ,当涂层厚度与接触半宽之比t/a <0 .3时 ,表面下的最大剪应力分布对提高轴承疲劳寿命较为有利 ;t/a =0 .5时 ,涂层系统的摩擦力学性能最差。涂层厚度较薄时 ,位于赫兹接触中心附近的涂层表层上的最大剪应力要远大于基体内的最大静态剪应力 ;当t/a >0 .1时 ,涂层表面上的最大剪应力对提高轴承疲劳寿命较为有利 ;涂层材料与基体材料的弹性模量之比小于 2 .0时 ,有利于提高涂层系统的疲劳寿命     

带有硬涂层的球轴承应力场分析

在建立名义点接触问题有限元模型的基础上，计算了不同涂层厚度下6309深沟球轴承的亚表层应力场，首次提出了一个涂层膜厚的无量纲参数ξ。结果表明，当涂层厚度参数ξ小于0．035时，接触区内的Mises应力和最大剪应力的最大值及其所在深度较之无涂层时无显著变化；与无涂层的情况不同，涂层体系表面接触中心处的Mises应力不为零；涂层／基体界面上的Mises应力的最大值出现在接触中心处，最大剪应力在偏离接触中心处出现。     

高速铁路轴箱轴承接触润滑机理

基于高速铁路客车轴箱系统多界面接触力学分析模型,在轴箱轴承工况条件下,分析轴箱轴承滚动体与内、外圈间的接触载荷分布情况;建立高速铁路客车轴箱双列圆锥滚子轴承脂润滑弹流模型,并采用有限差分法数值解法。数值计算结果与最小膜厚公式获得的最小膜厚度进行比较,而最大润滑压力与相应的赫兹应力进行了比较。结果表明,在给定运行工况条件下,随着运行速度的增大,轴承滚道润滑接触形成的油膜压力减小,油膜增大;而当轴承载荷增大时,其油膜厚度减小,润滑压力增大。     

固体润滑滚子轴承的接触表面应力分析研究

为获得固体润滑滚动轴承滚动体与滚道处的接触应力,通过固体润滑滚子轴承拟动力学分析并考虑涂层的影响,获得了滚子轴承稳定运行过程中滚动体的力载分布。通过建立带涂层接触的平面应变问题的力学模型,将涂层与基底两种材料的特性等效为一种材料来求解滚子与接滚道触应力分布情况,并与轴承的拟动力学分析相结合,获得了滚子轴承中滚动体与固体润滑膜接触表面的接触变形、接触半径与外加载荷之间的关系,讨论了不同涂层的弹性模量以及不同涂层厚度对接触界面应力分布的影响。当涂层弹性模量比基底大时,涂层的存在使得接触半宽减少,最大名义接触应力增加;涂层弹性模量比基底小时,则与之相反。当涂层的厚度<0.01mm时,涂层的存在对固体润滑滚子轴承的接触表面应力分布影响较小;在一定范围内,当涂层的厚度逐渐增大时,涂层对轴承接触表面应力分布的影响增大。     

多层交替膜界限载荷研究

为了研究软硬交替多层表面膜在磨粒作用下的应力应变响应、膜层界面剥离和裂纹的产生及扩展的影响,采用大变形接触弹塑性有限元法对刚性基体上的TiN/Ti多层交替膜在法向压痕作用下的力学行为进行了模拟和分析,研究不同软硬膜层厚度比下,不同膜层的变形、界面切应力分布和表面张应力分布,分析得出界限载荷变化规律及参数分布对其影响情况.结果表明:当软层厚度小于或等于硬层厚度时,增加膜层总厚度可以明显增大多层膜层体系的界限载荷,而软层厚度大于硬层厚度时,增加膜层总厚度不但不能明显增加界限载荷,反而会因增大最大弯曲应力而使界限载荷变小;软硬层厚度比大,而膜层总厚度小的多层膜体系,具有相对较小的最大弯曲应力,因而能承受最大的界限载荷.     

含多粗糙峰涂层等效应力的有限元分析

研究刚性平面与含粗糙峰涂层在二维与三维模型下的弹性接触问题,采用有限元法分析涂层弹性模量比、涂层厚度、粗糙峰间距、刚性平面压下深度对涂层粗糙峰表面、涂层/基体界面分布及基体等效应力分布的影响。计算结果表明压下深度对三维涂层粗糙峰表面最大应力的影响最大,涂层厚度、涂层/基体弹性模量比、粗糙峰间距的变化对应力值影响逐渐减小;增大涂层厚度、减小压下深度和粗糙峰间距、降低弹性模量比会使得三维接触模型最大等效应力值显著降低;增加涂层粗糙峰数和涂层厚度、同时降低涂层弹性模量有助于提高涂层/基体界面结合强度。相对于二维接触模型来说三维接触模型在粗糙峰表面的等效应力增大,造成这种变化的主要原因是由于涂层表面粗糙峰之间的等效应力叠加引起的。该研究为涂层粗糙峰及涂层/基体界面强度的应力分析提供依据。     

超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机的研制

在总结分析目前国内外表面超硬涂层零件接触疲劳失效行为评估技术的基础上，依据超硬涂层零件接触疲劳失效机制模型，自主研制了一种超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机。介绍了该试验机的设计原理和特殊功能，采用该试验机对51306纳米超硬材料涂层轴承滚动接触疲劳失效行为进行了试验评定。试验证明所研制的超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机智能检测控制系统能够动态探测诊断涂层轴承表面初始疲劳裂纹并实现急停，可捕捉试验轴承表面疲劳初始状态，为超硬涂层零件接触疲劳失效机制分析提供可靠的试验依据。     

考虑弹流润滑效应艉轴承有限元静力分析

在考虑艉轴承弹流润滑效应的情况下,先对海水润滑艉轴承进行弹流润滑数值计算,将得到的水膜压力计算结果结合有限元法,再对艉轴承进行有限元静力分析,使其更加贴近于实际,更具有实际意义。同时分析不同工作载荷、不同轴承半径间隙以及不同轴承内圈厚度对艉轴承力学性能的影响。结果表明:艉轴承各对应位置的节点等效应力应变化趋势近似,但其值却随着载荷和半径间隙的增大而增大,其中载荷越大,艉轴承节点等效应力应变变化幅值越大,变化曲线越陡;不同内圈厚度对内圈内侧的最大Y向节点应力影响较小,却对轴承最大节点等效应力影响较大,其幅值变化较明显。     

等离子喷涂8YSZ热障涂层隔热效果及内应力演变有限元模拟

采用等离子喷涂法制备质量分数8%氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)热障涂层，并进行隔热和热震循环试验；构建简易有限元模型对热障涂层的隔热性能和热震循环中的内应力演变进行模拟，并对破坏机理进行分析。结果表明：模拟得到热障涂层的隔热温度在167.60～262.22℃,隔热效果良好，与试验结果的相对误差在10%以内；热障涂层的隔热效果随厚度增加而增强；热震循环产生的应力在涂层的界面边缘处集中，与试验得到的在涂层边缘处出现裂纹和脱落并逐渐延伸至中心的失效方式相吻合；随涂层厚度增加，热震循环升温和降温后的应力增大。     

ANALYSIS ON THERMAL ELASTO-PLASTIC ASPERITY CONTACTS OF LAYERED MEDIA

A thermal elasto-plastic asperity contact model is investigated, which takes into account the steady-state heat transfer and the asperity distortion due to thermal elasto-plastic deformations. A hard coating and a soft coating are applied to study the correlations between contact area and contact pressure, average gap and contact pressure, coating thickness and contours of the contact stress distribution, etc. The effects of material properties, coating thickness, frictional coefficient, and the heat input combinations on the stress distribution are investigated and discussed. The frictional heat input increases the maximum value of yon Mises stress. Finally, the appropriate thickness of the hard coating is also discussed. To protect the substrate, one can choose hard coating and the thickness of that is suggested that can be hc=70 Rm.     

涂层材料特性对滚子轴承润滑性能的影响*

涂层材料被广泛应用于滚子轴承中以改善界面性能和提高疲劳寿命,为了探讨涂层材料性能对滚子轴承润滑性能的影响,基于流体力学与接触力学理论,建立带涂层的有限长线接触弹流润滑模型,探讨不同载荷、速度以及涂层材料特性对油膜压力、油膜厚度的影响。研究表明：随着涂层厚度的增加,硬涂层使得最小油膜厚度先增加后减小,而软涂层轻载时使得最小油膜厚度先减小后增加,重载时最小油膜厚度一直减小;随着速度的增加,出口区二次压力峰值增加,硬涂层尤为明显,并且油膜厚度也增加,油膜平坦区域减小,出口区油膜紧缩值增加。为提高润滑性能,当使用较厚软涂层时应考虑增加滚子凸度量,而使用较厚硬涂层时应考虑减小滚子凸度量。     

耐磨胶粘涂层的动态热应力分析

文章分析了因表层热冲击引起的耐磨胶粘涂层中近表面区域的非定常动态热应力,根据分析计算结果绘制了涂层中某点的热冲击动应力变化曲线;结论指出,从表面传递的热冲击波首项到达某点时,应力也在该点达到峰值,升温为压应力,降温为拉应力.     

热辐射处理制备VC涂层的温度-应力场有限元分析

利用ANSYS有限元软件对热辐射处理制备VC(碳化钒)涂层进行建模,分析了涂层厚度、加热温度及加热时间对VC涂层温度场-应力场的影响规律。结果表明,不同温度下涂层沿x轴方向温度变化的趋势均呈上升趋势;涂层最高温度(837℃)与加热温度(850℃)相差15℃左右,温度差值约1.52%;不同厚度下温度的变化趋势均为递减,当厚度为6μm时,温度递减的趋势较平稳,未出现峰值,当涂层厚度增加时,应力值先增加然后减小,在厚度为6.3μm时发生突变,而后呈递增趋势;考虑应力、厚度因素对涂层性能的影响,涂层最佳厚度应为5～6μm。     

铀表面铝镀层热应力的有限元分析

对铀表面磁控溅射沉积铝镀层的热应力进行了热弹塑性有限元分析。结果表明：镀层内的热应力较大,达到铝的屈服强度,镀层界面两侧存在明显应力梯度,试样侧边存在由于边缘效应引起的应力分布不均匀性,至侧边约4倍镀层厚度处,应力分布不均匀性逐渐消失;沉积温度升高,界面塑性应变明显增大,镀层弹性模量和泊松比对镀层界面热应力和塑性应变的影响较小,而屈服强度的影响较大,减薄镀层厚度有利于改善镀层界面的热应力和塑性应变。     

涂层刀具膜基结合面的仿生设计

提高涂层刀具膜基结合力对刀具使用寿命有重要影响,提出涂层刀具结合面仿生设计的思想,将牙齿的釉质和本质类比到涂层刀具的涂层和基体,根据牙釉质与牙本质结合面的形状,仿生设计了由一组圆弧组成的膜基结合面。基于基体拉伸法测涂层界面结合强度的思想,利用ABAQUS有限元软件仿真了界面结合强度。结果表明:由一组合适大小圆弧组成的结合面的界面应力分布情况较好。所阐述的膜基结合面形状的仿生设计将为基体表面镀膜前的处理提供一种新的思路。     

应力偶流体润滑轴承油膜压力和轴心轨迹计算

根据应力偶流体动态润滑轴承雷诺方程,运用数值计算方法研究应力偶参数对轴承润滑性能的影响。针对某柴油机轴承,分别计算采用牛顿流体和非牛顿应力偶流体润滑时的油膜压力分布和轴心轨迹。结果表明：与牛顿流体润滑相比,应力偶流体润滑时轴承的油膜压力增加,且随应力偶参数的增加,最大油膜压力出现在轴承角度增大的方向;2种润滑条件下,所计算得到的轴心轨迹形状类似,不同之处在于牛顿流体润滑时其轴心轨迹离轴承的中心比较远,而应力偶流体润滑条件下轴心轨迹随参数增加向其中心靠近且最小油膜厚度明显增大。研究表明,应力偶流体润滑与牛顿流体相比提高了油膜压力,改善了轴心轨迹,且应力偶参数越大应力偶效应越显著。     

Interfacial Stress and Failure Analysis for Piston Ring Coatings under Dry Running Condition

A two-dimensional thermomechanical finite element model was developed to analyze the sliding process of a piston ring with coating sliding on cylinder liner under dry running condition. Thermal and mechanical effects were considered simultaneously in the model. The aim of the current work is to study the mechanisms of scuffing, failure, and seizure occurrence in a piston ring-liner system. It is shown that coating thickness plays an important role in the thermal and mechanical stress status at the contact area, coating bulk body, and interface of the coating and piston ring substrate. The coating thickness also exhibits a significant influence on the temperature rising at the contact area and interface of the ring coating and substrate, which could cause failure at the interface of the coating and substrate before it happens at the contact surface under some specific conditions. The results also show that thinner coating thickness in some specific range could have a higher possibility of cracking or failure. Furthermore, it is found that the thermal loading is the key cause of scuffing or failure of the piston ring coating.     

生物活性梯度涂层热应力场的模拟分析

使用有限元分析软件ANSYS建立涂层模型并模拟喷涂后涂层的残余应力场,可以有效设计出合理的涂层梯度分布,从而制备出残余应力较小的涂层。讨论了随着涂层梯度层数的变化,涂层中应力的变化情况。通过模拟得出以下结论:梯度涂层厚度增大,涂层应力明显增大;喷涂温度升高,涂层应力略有增加。