外文翻譯--在滑動(dòng)觸點(diǎn)多層表面涂層的彈塑性變形分析

1 文獻(xiàn)翻譯 在滑動(dòng)觸點(diǎn)多層表面涂層的彈塑性變形分析 摘要 梯度層的滑動(dòng)接觸 ,層疊 層和普通多層涂層受到相同的表面負(fù)載本文調(diào)查了下彈塑性變形。結(jié)果表明 ,積極的梯度層涂料、彈性模量降低逐漸從頂層到襯底 ,可以提高應(yīng)變和應(yīng)力 根植于文明 layer-substrate 界面附近大大及其應(yīng)力等高線垂直方常光滑。涂料和 layer-substrate 接口和一個(gè)小壓力在襯底。涂層可以極大地減少界面上的最大剪應(yīng)力 layer-substrate 和壓力在裂紋尖端 ,但界面附近的應(yīng)力和應(yīng)變梯度是非常大的。普通層的應(yīng)力和應(yīng)變分布相比 沒有明顯改善單層。已知的分析應(yīng)力應(yīng)變分布和裂縫壓力 根植于文明的四種涂層、梯度層涂層在這些方面有更多的優(yōu)勢(shì)。本文的結(jié)果為涂料的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。 q1999 愛思唯爾的科學(xué)有限公司版權(quán)所有。 關(guān)鍵詞 :梯度層涂料 ；滑動(dòng)觸點(diǎn) ；塑性變形 ；壓力 1、介紹 機(jī)器零件的失敗有很大關(guān)系的屬性表面附近的最大應(yīng)力經(jīng)常存在。學(xué)習(xí)和發(fā)展的重要途徑新材料是提高表面通過努力沉積薄層的接觸應(yīng)力分布耐磨材料的接觸表面?？焖俚雀鞣N表面處理技術(shù)的發(fā)展 CVD 和 PVD 和一個(gè)偉大的可能的組合協(xié)議層的材料讓你更復(fù)雜的決定材料的制備方法 ,及其作 品 ,涂料的類型和層次等。的主要因素導(dǎo)致涂層表面的失敗從襯底的超然涂層。如何達(dá)到合適的分布層材料給定的條件減少界面上的應(yīng)力因此如何提高技術(shù)一樣重要增加和涂層之間的附著力襯底。所以研究具有十分重要的實(shí)際意義如何減少界面應(yīng)力和提高應(yīng)變分布在界面附近 ,因?yàn)榉e累的材料塑性變形的主要因素之一壓力是導(dǎo)致骨折和超大的接口主要原因?qū)е旅撃z。摘要壓力在梯度和應(yīng)變分布 ,層疊 和常見的多層涂層由于 粗糙 面滑 動(dòng)接觸 表面 與 調(diào)查之 夜元 素分 析方 法。這 是假設(shè)sine-distributed 正常和切向載荷應(yīng)用分層表面。層參數(shù)的影響應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn) 行比較和分析和理想涂層模型的應(yīng)力應(yīng)變分布滿意了 2、 模型的描述 四種類型的 lms 一直不斷討論了近年來 ,梯度層 lm(TiC / Ti(C,N)/錫 )13, 層疊 層 lm(Ti /錫 )(4、 5),常見的多層 lm(比如 TaC /抽搐 /氧化鋁 /錫 )和單層 lm(錫 )。變形的研究并在這些層仍然是一個(gè)有趣的斷裂問題。在本文中 ,我們 2 圖 1。模型上的粗糙表面滑動(dòng)層涂層 糙表面滑動(dòng)接觸下分層困難在上述層半空間。的壓力多數(shù)文獻(xiàn)假設(shè)分布分析正常和切向加載界面接觸分布由半球形滑動(dòng)造成的。為更接近我們 ,而真正的接觸情況 multi-asperity 接觸模型 ,如圖 1 所示。的正常壓力分布的每個(gè)粗糙粗糙counter-face 可以表達(dá)公式約翰遜提出的 6,給出如下 在哪里上所有粗糙粗糙的平均壓力嗎表面上看 ,E *是材料的等效彈性模量 是楊氏模和泊松分別率的材料接觸。 D是粗糙表面的振幅 ,l 的波長粗糙表面 (圖1)。假設(shè)的最大壓力 pmax粗糙表面 81023 N /平方毫米 ,屈服極限高速鋼 (HSS 襯底的 N / k=1:81023pmax 平方毫米 。 4 k 的每一層的厚度梯度 ,層疊 和選定的 多層涂層是 2 毫米 ,總 厚度的三個(gè)涂料是 8毫米為所有四層。兩表面微凸體之間 的長度粗糙表面被假定為 L=100 毫米和接觸每個(gè)與接觸表面粗糙長度是 2： 20 毫米。假設(shè)摩擦系數(shù) 字母系數(shù)的滑動(dòng)接觸粗糙表面和涂層之間 0:3。結(jié)果顯示 Merwin 和約翰遜 7,塑性變形將發(fā)生在當(dāng) pmax = k。為 4:0 在滑動(dòng)接觸。這里 k 是馬克西的屈服極限最大 馮 米塞斯方程可以給出的剪切應(yīng)力表達(dá) k 馬克斯。 表 1 基板的機(jī)械性能和涂層材料 現(xiàn) 象、趨勢(shì)和研究了塑性變形的分布分布載荷 pmax = 4:0。圖 2 c 表示三種 涂層的結(jié)構(gòu)。如彈性模 力學(xué)性能 基體和涂層材料的泊松比哪些是重要的執(zhí)行可 3 圖 2。三種涂層的結(jié)構(gòu) :(a)梯度層涂料 ,(b)層疊 層涂層和 (c)所選的多層涂層 靠的計(jì)算表 1 中列出引用文獻(xiàn) 79 。自合并后的正常和切向載荷不再對(duì)稱 ,整個(gè)分層半空間建模。圖 3 顯示了 夜間元素網(wǎng)格和邊界計(jì)算中使用的條件。水平和垂直網(wǎng)是 160100 毫米的尺寸 ,都是足夠大以允許強(qiáng)調(diào)是 舊址邊界。整個(gè)網(wǎng)格水平 1320(4430 垂直 )雙二次平面應(yīng)變?cè)睾?1395 節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格是再保險(xiǎn) ned 地區(qū)低于接觸。水平和垂直間距和下面的節(jié)點(diǎn)的接觸表面是相同大小的 0.5 毫米。底面和 側(cè)面支持在 夜間元素來模擬半無限。了幾位高級(jí)行按順序分配層和夾層。的各層之間的接口被認(rèn)為是完美的保稅 ,即位移在接口是連續(xù)的除非另有提及。普通節(jié)點(diǎn)屬于兩岸的界面元素 ,使用這些常見的節(jié)點(diǎn)約束的接口滿意 。連續(xù)分布的正常和切向載荷應(yīng)該分成小分歧和轉(zhuǎn)換成嗎雙重正常集中負(fù)荷是由方程遵循國際扶輪個(gè)人集中負(fù)荷 Ri 和氣然后行使在每個(gè)部門指出 yic 和應(yīng)用節(jié)點(diǎn)通過節(jié) 離散集中負(fù)荷如圖 4 所示。 圖 3 。 的 夜 間 元 素 網(wǎng) 格 和 邊 界 條 件 中 使 用 計(jì) 算 。 和切向載荷氣 和負(fù)載的行動(dòng)中心位置 點(diǎn)接觸表面。在 ANSYS包已經(jīng)被 用于夜間元素計(jì)算上述涂料。來驗(yàn)證是否 夜間 4 上述元素模型是公平的 ,一個(gè)典型的滑動(dòng)接觸的剛性圓柱滑塊均勻的在飛機(jī)上分析了彈性半空間 (m0:2)。的從數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合計(jì)算使用赫茲方程的約翰遜6。因此 ,現(xiàn)在 夜間模型和網(wǎng)格被假定為是一個(gè)元素滑動(dòng)的彈性半空間的可接受的表示接觸。計(jì)算結(jié)果為例 ,應(yīng)力分布于 multi-asperity 接觸表面繪制在圖 5中。 圖 4。模型分為連續(xù)分布正常加載成離散。 圖 5。由于 multi-saperity 接觸應(yīng)力分布在多層表面 3 結(jié)果與討論 從 ANSYS 提供的圖表 ,我們 可以理解這些涂料的一些重要特征分析如下 : 3.1. 塑性變形下的應(yīng)變分布 圖 6 顯示使用 的結(jié)果夜間梯度層單元法 (HSS /氧化鋁 /抽搐 Ti(C,N)/錫 ),夾心層 (高速鋼 / Ti /錫 / Ti /錫 )選中的多層 (高速鋼 / TaC /抽搐 /氧化鋁 /錫 )涂料受到同樣的表面負(fù)載。也單層涂層 (高速鋼 /錫 )具有相同的厚度與多層計(jì)算比較。圖 6 顯示了輪廓在上述四部分的壓力分層的樓梯下方的分別中間粗糙粗糙表面的接觸。圖 7c 的應(yīng)變分布四涂料在嗎呼叫中心軸。這里的橫縱坐標(biāo)是 z /a涂料和垂直的縱坐標(biāo)值是。塑性變形時(shí)出現(xiàn) 1 k 的值 ,即 512.0 xee 這里0.512ANSYS 的計(jì)算精度。顯示在圖 6 中 ,壓力梯度的輪廓層涂層非常稀疏coating-substrate 附近界面 ,而他們主要集中在涂層表面。在選定的多層涂層的行為逆轉(zhuǎn)與梯度層涂料 ,這是壓力輪廓是集中在界面附近和稀疏的附近水面。單層涂層的應(yīng)變輪廓接口和附近非常集中嗎表面上看 ,雖然稀疏的涂層。涂層的輪廓非常集中中間的涂料和附近的界面?；w的塑性變形已經(jīng)長大了為每個(gè)涂層和涂層的頂部下負(fù)載。的塑性變形區(qū)域 層疊 涂料是這四個(gè)最大的涂料和塑性變形沿著界面也是最 長的地區(qū)。有預(yù)感教派的前部和尾部接觸邊緣附近梯度和單層涂 5 層和前面和下面尾接觸邊緣的選擇的多層和單層涂料在 coating-substrate 接口。界面附近的應(yīng)變梯度層的涂層變化逐漸自應(yīng)變梯度的輪廓層涂層界面附近的稀疏 ,沒有塑性變形時(shí)預(yù)感教派在界面附近開始。它表明 , 梯度層涂料不傾向 圖 6.應(yīng)變梯度層涂層的輪廓 :(a)梯度層涂料 ,(b)選定的多層涂層 ,(c)層疊 涂層和 (d)單層涂料。 于形成和斷裂之間的接口襯底和有更多的優(yōu)勢(shì)在其他三個(gè)涂料在性能。附近的應(yīng)變非常結(jié)實(shí)的輪廓選中的多層和 單層的接口涂料 ,這表明這些地區(qū)的應(yīng)變率非常大。除了有預(yù)感教派在尾部邊緣附近塑料區(qū)域的兩個(gè)基板 ,所以骨折往往這些區(qū)域附近形成。 根據(jù)圖 6,應(yīng)變速率也逐漸減小由于應(yīng)變梯度層的輪廓涂層非常集中的頂部表面 ,它顯示了嗎梯度層涂層可以在保護(hù)一個(gè)重要部分襯底。相反 ,盡管附近的應(yīng)變率很小前選擇的多層涂層 ,表面雖然率是接口和附近的斷裂傾向于增加產(chǎn)生在這里。塑性變形區(qū)域的 層疊 涂料非常大 ,在大應(yīng)變速率是偉大的嗎地區(qū)附近的界面。單一的應(yīng)變輪廓層涂層非常表面和附近集中中間的接口但稀疏地區(qū)的涂層。它表明涂層的中部地區(qū)是不能來執(zhí)行其功能 和附近的骨折往往形式由于大應(yīng)變速率的接口。 3.2 最大剪切應(yīng)力的分布 圖 8 顯示了最大剪應(yīng)力的分布四個(gè)涂料。 z 和 y 是垂直和水平坐標(biāo) ,分別。積極的壓力計(jì)算抗拉抗壓和消極。圖 8中可以看出 ,上方的壓力選擇的多層 (z0)中是最低的其他涂料和最大剪應(yīng)力的變化沿著 z 軸向遠(yuǎn)最類似于單層的其他的地區(qū)。除了 coatingsubstrate 附近的地區(qū)接口 ,壓力梯度層的輪廓涂料類似于單一層和選定的多層涂層。最大剪切應(yīng)力 層疊 的頂部表面涂層是最低的和壓力的變化輪廓有很大不同從其他三個(gè)病例。圖 8 顯示的壓力非常高附近的接口 (z = 6 20:8)3 例除了梯度層涂料。的壓力非常高的地區(qū)附近的 z =20:7 和選擇的多層 圖 7。四種涂料的應(yīng)變分布在呼叫中心軸 :(a)梯度層和多層涂料 ,(b)梯 度層和 層疊 層涂層和 (c)梯度層 ,單層涂層。 如此 層疊 涂料、和最大剪應(yīng)力急劇變化在界面附近這三個(gè)涂料的最大剪切應(yīng)力梯度層涂層和變化相對(duì)較低順利與其他三個(gè)涂料相比 ,上述應(yīng)變等值線稀疏的應(yīng)變梯度低的梯度 層涂層。此外 ,圖 8顯示的壓力襯底的 層疊 涂層顯然是最高的其他涂料。顯示在圖 8 b,單一的壓力分布和所選的多層涂層更相似 。 圖 8。最大剪切應(yīng)力分布沿垂直和水平 axials:(a)的最大剪切應(yīng)力分布沿垂直軸向和 (b)最大剪切應(yīng)力分布沿水平軸 (z =。 20:8)。彼此 coating-substrate(z =20:8)。這表明沿著兩個(gè)方向的壓力分布涂料很相似。的應(yīng)力分布曲線沿著 y軸向梯度和 層疊層 涂料是多少低于其他兩個(gè)涂料和的曲線 層疊 是低于梯度。裂紋前緣的關(guān)系和裂紋擴(kuò)展方向?qū)Χ鄬油繉拥慕缑妗Ｒ粋€(gè)模型的界面裂紋 (圖 9)de內(nèi)德增長 bimaterial 界面裂紋增長方向的平面界面。這個(gè)模型的裂紋一般可能是一個(gè)經(jīng)歷過失敗機(jī)制分層的涂層的應(yīng)用 ,分鐘裂紋成核在分層的邊緣應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)或也可能產(chǎn)生而建立的 lm。裂紋的傳播尤其是接口涂料由于疲勞后的長期服務(wù)引起的層的剝落的主要類型之一涂層分析裂縫層之間的接口和基質(zhì) ,Comninou(10、 11)使用一個(gè)封閉的裂紋獲得的模型和應(yīng)力強(qiáng)度因子在不同負(fù) 7 載條件下使用數(shù)值方法。 Gautesen 和 Dundurs(1988)12從而計(jì)算出準(zhǔn)確的解決 方案 ,分別從這個(gè)模型。然而 ,近來更建議采用有限元法獲得的應(yīng)力強(qiáng)度因素對(duì)裂紋尖端 。 在界面的應(yīng)力強(qiáng)度因子在多層涂層裂紋引起的滑動(dòng)接觸被給予了 6KI 和應(yīng)力 強(qiáng)度因子的一般是 在 模式 I 和 II,分別和他們的關(guān)系表單 K2 和 在平面應(yīng)變可以 Dundur 參數(shù)表示為 圖 10 顯示了應(yīng)力分布 ,這是由于梯度的裂紋在界面層涂料 ,通過元素分析的方法。應(yīng)力裂紋前提示高于在沿滑動(dòng)方向尾巴尖在涂層表面硬度計(jì)壓頭滑動(dòng) ,這是顯示在圖 10中 ,最大的壓力正確的提示是高于左側(cè)。所以壓力在前面提示沿滑動(dòng)方向主要是調(diào)查在這里。圖 11顯示了最大剪應(yīng)力分布沿水平和垂直方向上的裂縫前提示相同的位置 ,相同的尺寸和形狀 layer-substrate 接口的四個(gè)下涂料相同的滑動(dòng)表 面上的負(fù)載?？v坐標(biāo)的起源點(diǎn) (y=0時(shí) ,z=0時(shí) )在圖 11 中代表了裂紋尖端位置。從圖 11 a,b,最大剪切應(yīng)力沿水平和垂直方向的 層疊 涂料是在最低的其他三個(gè)涂料、接下來是梯度涂層。的壓力分布在單層的價(jià)格非常接近的選定的 8 多層。從圖 7,最大剪切應(yīng)力沿水平方向的裂紋尖端減少近線性的。每個(gè)曲線 0.9毫米內(nèi)急劇變化裂紋尖端。這表明曲線迅速傾斜附近的提示 ,這個(gè)區(qū)域附近的壓力非常集中。也稱從圖 11 曲線斜率就變小了后 y。 0:91:0 毫米 ,這表明的濃度曲線變得更加順利。 圖 10. 最大剪應(yīng)力分布的裂紋附近界面梯度層的涂層。 圖 11。每個(gè)涂料的最大剪應(yīng)力分布沿水平和垂直方向上裂紋前緣小貼士 :(a)最大剪切沿著水平方向應(yīng)力分布 ,(b)的最大剪切應(yīng)力分布沿垂直方向。 上的每個(gè)涂層界面的應(yīng)力分布 (在圖 11中 b z,0時(shí) )非常相似可以看到從圖 11 b。主要特點(diǎn)是裂縫附近的應(yīng)力分布的四個(gè)涂料非常的不同。應(yīng)力值和畢業(yè)生在 層疊層涂層明顯低于這些在其他涂料 ,接下來是梯度層涂層 ,而單層涂層的應(yīng)力分布非常接近 ,在選定的多層涂層。因此裂紋附近的應(yīng)力分布很大程度上涂層的性能也直接相關(guān)裂紋擴(kuò)展 。壓力在每個(gè)方向的界面 層疊 層中低于涂層其他涂料根據(jù)上述研究分析。這意味著界面上的壓力就會(huì)很低和產(chǎn)生的裂紋在界面并非易事當(dāng)?shù)孜锔采w著低模量繁殖材料 ,如鈦。這可能是一個(gè)主要的為什么許多研究人員一個(gè)偉大的關(guān)注目前 層疊 層涂料。 layersubstrate 附近的壓力然而 ,層疊 的界面涂層非常高 ,變化很大。應(yīng)變梯度很大和這個(gè)地區(qū)附近的斷裂傾向于產(chǎn)生滑動(dòng)接觸。這是缺點(diǎn)從應(yīng)力的角度分布。所選的多層涂層已經(jīng)在工程和能代表典型的應(yīng)用目前多層涂料使用。從上面的分析 ,它的界面非常附近的應(yīng)力分布類似于單層涂層 ,即應(yīng)力值和應(yīng)變速率非常偉 大和骨折往往生產(chǎn)。附近的應(yīng)變速率梯度的接口層涂料是在四個(gè)涂料和最低的應(yīng)力和應(yīng)變變化非常順利。也強(qiáng)調(diào)接口很低 ,裂縫不傾向于傳播。因此 ,梯度層涂料優(yōu)于其他涂料。 4、結(jié)論 獲得了一些重要的結(jié)論上述討論如下。 9 1.layer-substrate 界面附近的應(yīng)變分布可以大大改善 ,如果硬涂層由梯度層的彈性模量逐漸減少從頂層到底層在涂層制備。 2.梯度表層有一個(gè)理想的應(yīng)變分布以及一個(gè)合適的沿著垂直應(yīng)力分布軸向附近的界面。 layersubstrate 附近的壓力接口和襯底相對(duì)低 ,沒有壓力的突然變化比較其他涂 料。 3.硬和軟的多層涂層層交替 ,這是被稱為 “ 層疊 ” 層涂料如 Ti /錫 ,可以大大減少最大剪 coating-substrate 界面附近。其裂紋尖端附近的應(yīng)力相比是最低的其他涂料研究 ,因?yàn)檐泴幽軌蛴行諌毫?。但?,拉伸和界面附近的應(yīng)變率非常高。 4.普通的涂料不能提高壓力和應(yīng)變分布有效地比較單一層涂料。 5.最大剪切應(yīng)力裂紋的尖端在附近界面將會(huì)非常低 ,如果最大剪應(yīng)力在較低的接口。 6.除了梯度層的三層結(jié)構(gòu)涂層可能也有自己的特殊優(yōu)勢(shì)上面所提到的 ,雖然他們有明顯的缺點(diǎn)與梯度。這表明 ,其他三個(gè)涂料可 以應(yīng)用于滿足特定的性能 ,但涂層的梯度層應(yīng)該考慮如果涂層需要見面由于出色的綜合各種表演梯度層涂層的性能。 確認(rèn) 這個(gè)項(xiàng)目得到了國家的支持中國自然科學(xué)基金 (59575033) 參考文獻(xiàn) 1 E. 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