温度梯度对热障涂层影响的模拟

采用热弹塑性有限元法,对热障涂层在不同温度梯度作用的过程中,由于材料系数不匹配而引起的应力和位移进行了模拟分析.结果表明,等效应力的大小随温度梯度的大小单调递减;界面最大位移随温度梯度单调递增.同时也发现,模型在不同温度梯度下存在一个最小位移;当材料属性和载荷一定时,将存在一个最佳涂层厚度,使得涂层总的位移最小.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

功能梯度涂层热残余应力

涂层中的残余应力严重影响着涂层零件的机械完整性与操作可靠性。对于功能梯度涂层,由于各界面位移协调条件的限制,很难得到涂层内部残余应力的闭合解。基于传统的悬臂梁理论,获得了功能梯度涂层热残余应力的闭合解;这一分析模型的优点是残余应力的闭合解与涂层层数无关。讨论了采用传统的近似解所带来的误差, 针对含不同层数的ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度涂层内部的残余应力进行了计算。另外,对应力诱导的涂层失效模型也进行了分析。     

铝硅聚苯酯封严涂层切向载荷作用下应力分布的有限元分析

在封严涂层弹性模量试验的基础上,建立封严涂层摩擦有限元模型,对民航发动机铝硅聚苯酯封严涂层的摩擦过程进行有限元分析。分析了摩擦系数、涂层厚度和粘结层厚度等参数对涂层/粘结层/基体系统应力分布的影响。分析结果表明:在切向载荷的作用下,随着摩擦系数的增大,涂层表面、涂层与粘结层的界面以及粘结层和基体界面处的应力峰值均增大;随着涂层厚度的增大,涂层表面及两界面处的应力峰值均减小,但当涂层厚度达到一定程度后,继续增加涂层厚度对降低应力峰值的效果不明显;粘结层厚度在一定范围内的变化对涂层表面和涂层与粘结层界面处的应力变化影响不大,但随着粘结层厚度的减小,粘结层与基体界面处的应力峰值均增大。     

界面尺寸对热障涂层残余应力的影响

广泛应用于高温部件的热障涂层,其凹凸不平的界面形貌不仅影响界面的结合强度、应力分布,严重时甚至会导致涂层剥离、层裂和失效.文中针对正弦波形界面形貌的热障涂层,研究了界面尺寸（微坑深度、宽度和间距）对界面残余应力的影响.结果表明,界面几何形貌突变越严重,应力突变也随之加剧;不同的微结构尺寸影响因素对残余应力影响各不相同,其中微坑深度对残余应力的影响最为显著.     

热障涂层在多次热循环作用下残余应力的模拟

采用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环降温过程中由于热梯度和材料参数不匹配而产生的残余应力进行了数值模拟,分析了平面和曲面的界面形貌对界面残余应力的影响.结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形状对残余应力及结构稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度和涂层结构的热稳定性.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

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。     

等离子喷涂NiCrAl涂层残余应力模拟分析

建立了模拟涂层残余应力的数学模型,对等离子喷涂不同厚度NiCrAl涂层的残余应力进行了模拟,结果表明:由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因,在界面等区域存在严重的应力集中;涂层内部的残余应力水平,随涂层厚度增加而增加;涂层中的轴向应力、径向应力和切向应力主要为拉应力,径向应力是最主要的应力.     

脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为

提出一种在脆性涂层/韧性基体材料中含弹塑性界面层的剪滞模型.研究脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下,其表面脆性涂层的开裂行为特征,探讨涂层内正应力、界面切应力、涂层的裂纹密度与涂层几何、力学等参数之间的内在联系,获得了涂层内正应力、界面切应力和(饱和)裂纹密度的解析表达式.最后利用这些参量及其间的内在联系,以工程实际中的脆性Cr涂层/韧性钢基体材料为研究对象,研究该种材料在拉伸过程中出现的断裂行为特征.研究结果表明,该材料在拉伸应变作用下出现的饱和裂纹密度与理论结果预测值符合较好.     

氧化钇稳定氧化锆涂层界面剪切应力分析及其界面剪切强度的测定

涂层与基体材料结合时,界面结合状态将最终决定涂层使用性能,界面应力又直接影响着涂层强度属性。基于界面约束和均匀应变理论模型,推导出涂层界面剪切应力计算公式。同时,该公式可用于计算涂层界面剪切强度。通过实验进一步验证了理论分析的正确性和实验测试方法的有效性。利用分区不同膜厚单轴拉伸法测得氧化钇稳定氧化锆涂层的界面剪切强度,且这种方法有助于进一步分析涂层厚度与强度属性之间的关系。     

TiN/WC-Co涂层刀具划痕损伤的三维有限元分析

对TiN/WC-Co涂层刀具的划痕试验的损伤过程进行仿真计算得到临界载荷并且与划痕试验结果进行比较来确定涂层与基体之间的界面结合强度。得出以下结论:对TiN这样的硬质涂层,其主要损伤破坏形式是:位于压头后方的涂层表面受到拉应力的作用先发生破坏,并逐渐扩展,导致涂层表面横向裂纹的产生,最终涂层断裂。而基体靠近界面处先发生破坏,并逐渐扩展,最终导致基体破坏;涂层的最大拉应力是导致涂层断裂破坏的主要因素,而界面剪应力是导致界面脱开和基体破坏的主要因素。在考虑涂层/基体界面破坏、涂层、基体的损伤情况下,可以有效进行划痕试验的数值模拟,并可获得涂层界面结合强度、损伤的发生发展、涂层失效方式等重要参数。     

梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响

梯度结构陶瓷涂层以其优异的抗热震性表现出巨大的工程应用前景。为推动梯度陶瓷涂层在机械零件表面强化上的应用,采用“三明治”式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在冲击载荷作用下有限元模型,分析冲击载荷作用下涂层的力学性能,以及梯度层的结构形式、厚度及层数等参数对涂层的力学性能影响。结果表明：较无梯度结构陶瓷涂层相比,梯度结构能有效减缓涂层与基体结合面上的应力突变,涂层内部最大Mises应力明显降低,合理的梯度结构能改善涂层内部Mises应力分布,改变应力分布特征,减缓表面陶瓷涂层的冲击应力,从而防止陶瓷涂层在冲击载荷作用下脱落。最后对制备层状结构梯度陶瓷涂层时,如何进行梯度层结构设计进行了探讨,并提出了采用0.25次方幂指数梯度结构,得出10层中间层就可有效减缓冲击载何、降低Mises应力突变的结论。     

梯度覆层体受粗糙面滑动作用时的弹塑性分析

运用大限元软件分别虽对单覆层体及梯度体受多微凸体粗糙面滑动使用时产生的应力在变进行了计算和研究，着重比较两种覆层体爱相同表面载荷作用下，在基体及表面出现部分塑性变形时，表面层、基体内及表面 基体界面处的应力、应变分北度层在防止其本产生塑性变形及改善界面应力等方面比单纯层体具有明显的优点。本文的研究结果表为表南 选一览表主加工提供参考。     

一种弱界面结合涂层面内抗拉强度测试方法

基于界面自由和均匀应变理论模型,推导出形式较为简单的弱界面结合涂层—基体系统应力和应变计算公式;通过实验进一步验证上述计算公式,公式可用于测试弱界面结合的涂层和基体系统的面内抗拉强度。结果证实:测试方法简单有效,实验测得60μm～250μm厚6%Y2O3-ZrO2涂层的面内抗拉强度值分布在323.5 MPa～376.2 MPa之间,且随着涂层厚度增加,涂层面内抗拉强度值小幅下降。     

KM 刀柄/主轴锥面连接的有限元分析

针对在不同夹紧力下KM刀柄的锥面定位进行了有限元模拟及分析,获得了其径向位移、接触应力和锥面间隙变化的具体数据。分析结果表明,在KM刀柄锥面的中部出现了间隙和接触应力为零的现象,这会给刀柄在主轴中保持正确位置和有效承担切削载荷带来负面影响。     

Influence of humidity on the friction of diamond and diamond-like carbon materials

The friction of diamond and diamond-like carbon (DLC) materials was evaluated in reciprocating sliding wear testing under controlled relative humidity. The testing conditions were a displacement stroke of 100 μm, an oscillatory frequency of 8 Hz and a normal load of 2 N. The coefficient of friction of diamond and hydrogen-free DLC (a-C) coatings against a corundum sphere in the steady regime decreased with an increase in relative humidity. A water layer physisorbed at the interface between the mating surfaces played two major roles: acting as a lubricant and increasing the true area of contact. However, it was noticed that the friction coefficient of the hydrogenated DLC (a-C:H) coatings first increased and then decreased with increasing relative humidity in the steady state. There appeared to be a critical relative humidity for the a-C:H coatings, at which the steady-state friction reached the maximum value. The frictional behaviour of the a-C:H coatings also showed dependence on the wear test duration. The interaction between hydrogen and oxygen at the interface between the a-C:H coating and water layer was mainly responsible for such behaviour.     

The singular stress field and stress intensity factors of a crack terminating at a bimaterial interface

For the fracture evaluation of inclined cracks terminating at the dissimilar material interface, not only the singularities, but also the detailed stress field and its stress intensity factors are necessary. However, though there are many researches reported on the singularity analysis, the stress field and its stress intensity factors are still not clear. This paper has deduced theoretically the singular stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at the interface between bonded dissimilar materials, for both cases of real and oscillatory singularities. From the deduced singular stress field, the stress intensity factors are defined for such a crack, and the corresponding numerical extrapolation methods are also proposed. Through the numerical examinations, it is found that the theoretical stress distributions agree well with the numerical results obtained by the finite element method. Moreover, the proposed extrapolation method shows a good linearity, thus it can be used as an efficient way to determine the characteristics of the stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at interface.