立式銑床主軸變速系統(tǒng)設計,立式銑床主軸變速系統(tǒng)設計,立式,銑床,主軸,變速,系統(tǒng),設計 文獻翻譯 在滑動觸點多層表面涂層的彈塑性變形分析 摘要 梯度層的滑動接觸,層疊層和普通多層涂層受到相同的表面負載本文調(diào)查了下彈塑性變形。結果表明,積極的梯度層涂料、彈性模量降低逐漸從頂層到襯底,可以提高應變和應力?根植于文明layer-substrate界面附近大大及其應力等高線垂直方常光滑。涂料和layer-substrate接口和一個小壓力在襯底。涂層可以極大地減少界面上的最大剪應力layer-substrate和壓力在裂紋尖端,但界面附近的應力和應變梯度是非常大的。普通層的應力和應變分布相比沒有明顯改善單層。已知的分析應力應變分布和裂縫壓力?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。本文的結果為涂料的選擇和設計提供參考。q1999愛思唯爾的科學有限公司版權所有。 關鍵詞:梯度層涂料;滑動觸點;塑性變形;壓力 1、介紹 機器零件的失敗有很大關系的屬性表面附近的最大應力經(jīng)常存在。學習和發(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力分布耐磨材料的接觸表面。快速等各種表面處理技術的發(fā)展CVD和PVD和一個偉大的可能的組合協(xié)議層的材料讓你更復雜的決定材料的制備方法,及其作品,涂料的類型和層次等。的主要因素導致涂層表面的失敗從襯底的超然涂層。如何達到合適的分布層材料給定的條件減少界面上的應力因此如何提高技術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際意義如何減少界面應力和提高應變分布在界面附近,因為積累的材料塑性變形的主要因素之一壓力是導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變分布,層疊和常見的多層涂層由于粗糙面滑動接觸表面與?調(diào)查之夜元素分析方法。這是假設sine-distributed正常和切向載荷應用分層表面。層參數(shù)的影響應力應變分布進行比較和分析和理想涂層模型的應力應變分布滿意了 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)[1±3],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有趣的斷裂問題。在本文中,我們 圖1。模型上的粗糙表面滑動層涂層 糙表面滑動接觸下分層困難在上述層半空間。的壓力多數(shù)文獻假設分布分析正常和切向加載界面接觸分布由半球形滑動造成的。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粗糙粗糙counter-face可以表達公式約翰遜提出的[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)。假設的最大壓力pmax粗糙表面8￡1023 N /平方毫米,屈服極限高速鋼(HSS 襯底的N / k=1:8￡1023pmax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毫米和接觸每個與接觸表面粗糙長度是2：20 毫米。假設摩擦系數(shù)?字母系數(shù)的滑動接觸粗糙表面和涂層之間0:3。結果顯示 Merwin和約翰遜[7],塑性變形將發(fā)生在當pmax = k。為4:0在滑動接觸。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力表達k馬克斯。 表1 基板的機械性能和涂層材料 現(xiàn)象、趨勢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 涂層的結構。如彈性模力學性能基體和涂層材料的泊松比哪些是重要的執(zhí)行可 圖2。三種涂層的結構:(a)梯度層涂料,(b)層疊層涂層和(c)所選的多層涂層 靠的計算表1中列出引用文獻[7±9]。自合并后的正常和切向載荷不再對稱,整個分層半空間建模。圖3顯示了?夜間元素網(wǎng)格和邊界計算中使用的條件。水平和垂直網(wǎng)是160￡100毫米的尺寸,都是足夠大以允許強調(diào)是?舊址邊界。整個網(wǎng)格水平￡1320(4430垂直)雙二次平面應變元素和1395節(jié)點。網(wǎng)格是再保險?ned地區(qū)低于接觸。水平和垂直間距和下面的節(jié)點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。了幾位高級行按順序分配層和夾層。的各層之間的接口被認為是完美的保稅,即位移在接口是連續(xù)的除非另有提及。普通節(jié)點屬于兩岸的界面元素,使用這些常見的節(jié)點約束的接口滿意?。連續(xù)分布的正常和切向載荷應該分成小分歧和轉(zhuǎn)換成嗎雙重正常集中負荷是由方程遵循國際扶輪個人集中負荷Ri和氣然后行使在每個部門指出yic和應用節(jié)點通過節(jié) 離散集中負荷如圖4所示。 圖3。?的夜間元素網(wǎng)格和邊界條件中使用計算。 和切向載荷氣? 和負載的行動中心位置 點接觸表面。在ANSYS?包已經(jīng)被用于夜間元素計算上述涂料。來驗證是否?夜間上述元素模型是公平的,一個典型的滑動接觸的剛性圓柱滑塊均勻的在飛機上分析了彈性半空間(m?0:2)。的從數(shù)值計算結果相吻合計算使用赫茲方程的約翰遜[6]。因此,現(xiàn)在?夜間模型和網(wǎng)格被假定為是一個元素滑動的彈性半空間的可接受的表示接觸。計算結果為例,應力分布于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接觸應力分布在多層表面 3．結果與討論 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. 塑性變形下的應變分布 圖6顯示使用?的結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載。也單層涂層(高速鋼/錫)具有相同的厚度與多層計算比較。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7±c的應變分布四涂料在嗎呼叫中心軸。這里的橫縱坐標是z /a涂料和垂直的縱坐標值是。塑性變形時出現(xiàn)1 k的值,即這里0.512ANSYS的計算精度。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)長大了為每個涂層和涂層的頂部下負載。的塑性變形區(qū)域?qū)盈B涂料是這四個最大的涂料和塑性變形沿著界面也是最長的地區(qū)。有預感教派的前部和尾部接觸邊緣附近梯度和單層涂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。界面附近的應變梯度層的涂層變化逐漸自應變梯度的輪廓層涂層界面附近的稀疏,沒有塑性變形時預感教派在界面附近開始。它表明, 梯度層涂料不傾向 圖6.應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)勢在其他三個涂料在性能。附近的應變非常結實的輪廓選中的多層和單層的接口涂料,這表明這些地區(qū)的應變率非常大。除了有預感教派在尾部邊緣附近塑料區(qū)域的兩個基板,所以骨折往往這些區(qū)域附近形成。 根據(jù)圖6,應變速率也逐漸減小由于應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一個重要部分襯底。相反,盡管附近的應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,在大應變速率是偉大的嗎地區(qū)附近的界面。單一的應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變速率的接口。 3.2．最大剪切應力的分布 圖8顯示了最大剪應力的分布四個涂料。z和y是垂直和水平坐標,分別。積極的壓力計算抗拉抗壓和消極。圖8中可以看出,上方的壓力選擇的多層(z?0)中是最低的其他涂料和最大剪應力的變化沿著z軸向遠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病例。圖8顯示的壓力非常高附近的接口(z = 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、和最大剪應力急劇變化在界面附近這三個涂料的最大剪切應力梯度層涂層和變化相對較低順利與其他三個涂料相比,上述應變等值線稀疏的應變梯度低的梯度 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。最大剪切應力分布沿垂直和水平axials:(a)的最大剪切應力分布沿垂直軸向和(b)最大剪切應力分布沿水平軸(z =。20:8)。彼此coating-substrate(z =20:8)。這表明沿著兩個方向的壓力分布涂料很相似。的應力分布曲線沿著y軸向梯度和層疊層涂料是多少低于其他兩個涂料和的曲線層疊是低于梯度。裂紋前緣的關系和裂紋擴展方向?qū)Χ鄬油繉拥慕缑?。一個模型的界面裂紋(圖9)de?內(nèi)德增長bimaterial界面裂紋增長方向的平面界面。這個模型的裂紋一般可能是一個經(jīng)歷過失敗機制分層的涂層的應用,分鐘裂紋成核在分層的邊緣應力集中結構或也可能產(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)使用一個封閉的裂紋獲得的模型和應力強度因子在不同負載條件下使用數(shù)值方法。Gautesen和Dundurs(1988)[12]從而計算出準確的解決 方案,分別從這個模型。然而,近來更建議采用有限元法獲得的應力強度因素對裂紋尖端。在界面的應力強度因子在多層涂層裂紋引起的滑動接觸被給予了 ?6?KI和應力強度因子的一般是在模式I和II,分別和他們的關系表單K2 ?????? 和 在平面應變可以Dundur參數(shù)表示為? 圖10顯示了應力分布,這是由于梯度的裂紋在界面層涂料,通過元素分析的方法。應力裂紋前提示高于在沿滑動方向尾巴尖在涂層表面硬度計壓頭滑動,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方向主要是調(diào)查在這里。圖11顯示了最大剪應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接口的四個下涂料相同的滑動表面上的負載?？v坐標的起源點(y=0時,z=0時)在圖11中代表了裂紋尖端位置。從圖11 a,b,最大剪切應力沿水平和垂直方向的層疊涂料是在最低的其他三個涂料、接下來是梯度涂層。的壓力分布在單層的價格非常接近的選定的多層。從圖7,最大剪切應力沿水平方向的裂紋尖端減少近線性的。每個曲線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。0:9±1:0毫米,這表明的濃度曲線變得更加順利。 圖10. 最大剪應力分布的裂紋附近界面梯度層的涂層。 圖11。每個涂料的最大剪應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力分布,(b)的最大剪切應力分布沿垂直方向。 上的每個涂層界面的應力分布(在圖11中b z,0時)非常相似可以看到從圖11 b。主要特點是裂縫附近的應力分布的四個涂料非常的不同。應力值和畢業(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,而單層涂層的應力分布非常接近,在選定的多層涂層。因此裂紋附近的應力分布很大程度上涂層的性能也直接相關裂紋擴展。壓力在每個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很低和產(chǎn)生的裂紋在界面并非易事當?shù)孜锔采w著低模量繁殖材料,如鈦。這可能是一個主要的為什么許多研究人員一個偉大的關注目前層疊層涂料。layersubstrate附近的壓力然而,層疊的界面涂層非常高,變化很大。應變梯度很大和這個地區(qū)附近的斷裂傾向于產(chǎn)生滑動接觸。這是缺點從應力的角度分布。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力分布類似于單層涂層,即應力值和應變速率非常偉大和骨折往往生產(chǎn)。附近的應變速率梯度的接口層涂料是在四個涂料和最低的應力和應變變化非常順利。也強調(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、結論 獲得了一些重要的結論上述討論如下。 1.layer-substrate界面附近的應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.梯度表層有一個理想的應變分布以及一個合適的沿著垂直應力分布軸向附近的界面。layersubstrate附近的壓力接口和襯底相對低,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力相比是最低的其他涂料研究,因為軟層能夠有效吸收壓力。但是,拉伸和界面附近的應變率非常高。 4.普通的涂料不能提高壓力和應變分布有效地比較單一層涂料。 5.最大剪切應力裂紋的尖端在附近界面將會非常低,如果最大剪應力在較低的接口。 6.除了梯度層的三層結構涂層可能也有自己的特殊優(yōu)勢上面所提到的,雖然他們有明顯的缺點與梯度。這表明,其他三個涂料可以應用于滿足特定的性能,但涂層的梯度層應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 這個項目得到了國家的支持中國自然科學基金(59575033) 參考文獻 [1] E. 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