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      雙金屬耐磨復合鋼板微尺度多層膜力學響應

      作者: 發布于:2017/11/23 16:13:47 點擊量:
      雙金屬耐磨復合鋼板表面鍍膜或涂層能有效增強材料結構表面性能,從而滿足工程實際需要。多層膜的周期性結構,使它顯示出奇特的力學、電學、磁學、光學特性,由于各層之間的相互影響,使整個多層膜系統的物理性質不同于組成它的單種材料的特性。在實際的應用中表面多層膜體系也往往顯示出更多的優勢。因此對薄膜雙金屬耐磨復合鋼板的研究就有著重要的意義。在對多層膜的實驗研究中,納米硬度實驗是一種重要的研究手段,但是目前還存在著誤差比較大、結果比較分散的問題。本文主要通過對納米硬度實驗的模擬,對多層膜在壓頭壓入情況下的應力應變響應進行了計算模擬,將三維的Vickers壓頭簡化成二維的夾角136°的楔形壓頭,簡化成了一個平面應變問題,并假設壓頭是剛性的,而雙金屬耐磨復合鋼板假設成是各向同性的理想彈雙金屬耐磨復合鋼板,壓頭與膜層的接觸考慮摩擦。由于這是個物理非線性和邊界條件非線性的問題,所以采用了增量迭代計算方法。并在FEPG有限元自動生成系統平臺上,自行編制了符合本文需要的計算程序。 最后利用該模型和程序進行了以下計算研究: 1、本文分析了膜層中軟膜雙金屬耐磨復合鋼板差異對膜層應力的影響,軟層材料分別選為Al和Ti時,得到當軟膜在上時,較軟的Al膜能夠更好的分散上面傳下來的力,起到較好的緩沖作用;當軟膜在下時,較軟的Al膜由于不能給上面的硬膜提供更好的支持,所以導致界面上的x方向的應力較大,容易引起縱向裂紋的擴展。 2、本文分析了雙金屬耐磨復合鋼板厚度一定的情況下,軟硬雙金屬耐磨復合鋼板厚度比對膜層應力的影響。雙金屬耐磨復合鋼板軟膜與雙金屬耐磨復合鋼板硬膜的厚度比分別為1:2、1:1和2:1,得到在下層的雙金屬耐磨復合鋼板薄膜中,增厚軟的雙金屬耐磨復合鋼板膜層可以更平均的分配壓力,降低雙金屬耐磨復合鋼板膜層中的應力和緩解界面上的剪應力;對于靠近表面的雙金屬耐磨復合鋼板膜層來說,增厚雙金屬耐磨復合鋼板軟膜層將會使雙金屬耐磨復合鋼板薄膜表面的硬度降低,增大雙金屬耐磨復合鋼板薄膜表面的張應力,容易引起表面縱向裂紋的擴展。 3、本文分析了多層膜層數對多層膜應力場的影響,發現雙金屬耐磨復合鋼板增大膜層的層數能夠很好的保護基底,降低雙金屬耐磨復合鋼板膜層與基底界面上的應力,減小雙金屬耐磨復合鋼板膜層中的張應力。但是對于雙金屬耐磨復合鋼板薄膜表層,則由于增大雙金屬耐磨復合鋼板膜層層數,使得雙金屬耐磨復合鋼板膜層表面的硬層變薄,導致表面硬度降低,引起膜層表面在壓頭壓入時變形加劇,張應力變大,容易引起縱向裂紋的擴展;同時也使接近表面的軟膜塑性應變加大,容易產生裂紋和剝落。 4、利用本文所編制的計算程序,對納米硬度實驗進行了計算模擬,由于要得到雙金屬耐磨復合鋼板膜層的硬度值,所以壓入深度相對于雙金屬耐磨復合鋼板膜層組分層厚度應該大于23%;在對雙金屬耐磨復合鋼板單層膜進行納米硬度實驗時,由于要避免基底進入塑性,因此對于單層雙金屬耐磨復合鋼板膜的納米硬度測試,壓頭的壓入深度相對于雙金屬耐磨復合鋼板膜層厚度應該小于1/5。最后依據上面的結果,提出梯度變化的多層雙金屬耐磨復合鋼板膜能夠更好的改善膜層中的應力場,并指出了多層膜未來研究的一個方向。同時本文也對多層雙金屬耐磨復合鋼板膜和單層膜納米硬度實驗中壓頭的壓入深度相對于膜層組分厚度的大小進行了探討。
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