钴基/不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究

摘要

工程应用中，发现在多冲碰撞的工况下，许多关键零构件即使在应力远小于材料屈服极限的条件下，仍会发生宏观塑性累积变形而最终失效，本文将此种载荷称之为低应力多碰载荷。经研究发现，材料在低应力多碰载荷下的宏观塑性变形具有趋表效应，即材料的塑性变形主要集中表现在离碰撞面较近的部位，且材料的应变随着距表层深度的增加而按指数函数的关系进行递减。另外，所谓梯度材料是指采用材料复合技术使两种不同性能的材料沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的功能也呈梯度变化的一种新型材料。结合材料的低应力多碰变形规律和梯度材料的特点，本文制备了钴基/不锈钢线性梯度涂层和指数梯度涂层两种试件，并研究其在低应力多碰载荷下的塑性变形规律，建立宏观塑性累积形变模型。
　　 本文将304不锈钢试件、304不锈钢为基体的线性梯度涂层和指数梯度涂层试件在相同的试验条件下进行低应力多碰试验，研究材料的疲劳应变及累积变形规律，得出以下结论：①试件的变形均具有趋表效应，即随着距表层深度的增加，试件的应变越来越小，当达到一定深度时，将不再发生变形。②在碰撞的初始阶段，试件的应变较大，随着碰撞次数的增加，应变越来越小，最终趋于稳定，不再发生变形。③指数梯度涂层试件对于抵抗低应力多碰塑性变形更为有效，其总累积变形量仅为304不锈钢试件的1/3左右。④利用回归分析的方法，建立了一定应力下，梯度涂层的低应力多碰应变与碰撞次数、层深之间的形变模型。⑤梯度涂层的变形规律与典型蠕变存在着类似点，同时又具备其自身的特点。
　　 对梯度涂层试件微观组织和变形机理进行了初步分析，得出以下结论：①梯度涂层在冲击后碰撞表层组织有晶粒碎化现象，距表层越远组织变化越不明显。②梯度涂层试件在冲击后有形变硬化或软化交替重叠的现象，且仅发生在一定深度上。其中指数梯度涂层的形变硬化软化现象最弱，说明指数梯度涂层抵抗塑性变形的能力最强。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 低应力多碰国内外研究概况

1.3 功能梯度材料的概念及特点

1.3.1 功能梯度材料的概念与分类

1.3.2 功能梯度材料的特点

1.3.3 功能梯度材料的制备方法

1.4 本课题组研究进展

1.4.1 低应力多碰载荷的失效形式

1.4.2 低应力多碰宏观塑性变形规律及特点

1.4.3 低应力多碰变形的微观分析

1.5 本文的主要研究内容

第二章 低应力冲击变形理论基础

2.1 低应力多碰载荷的定义及特点

2.1.1 定义

2.1.2 特点

2.2 应力波的现象和概念

2.2.1 应力波的概念及现象

2.2.2 加载波与卸载波

2.3 冲击载荷下应力波的传播

2.3.1 匀质材料中的应力波传播特点

2.3.2 涂层材料中的应力波传播特点

2.4 低应力多碰其他变形理论

2.4.1 蠕变变形理论

2.4.2 棘轮效应

2.5 小结

第三章 梯度涂层制备与多碰试验设计

3.1 梯度涂层的制备

3.1.1 试件材料的选取

3.1.2 梯度涂层结构的设计

3.1.3 制备方法的选择

3.1.4 梯度涂层的制备

3.1.5 梯度涂层的微观组织及能谱分析

3.2 梯度涂层低应力多碰试验方案设计

3.2.1 冲击试样的准备

3.2.2 低应力多碰试验方案设计

3.3 实验设备

3.4 小结

第四章 低应力多碰试验与分析

4.1 低应力多碰试验

4.1.1 试验条件

4.1.2 试验结果

4.2 试验数据的处理

4.2.1 304不锈钢试件数据分析

4.2.2 线性梯度涂层试件数据分析

4.2.3 指数梯度涂层试件数据分析

4.3 试验结果比较分析

4.4 梯度涂层的宏观塑性变形特点

4.5 小结

第五章 梯度涂层低应力多碰形变模型及微观分析

5.1 梯度涂层低应力多碰形变模型的建立

5.1.1 模型的假设

5.1.2 线性梯度涂层的形变模型

5.1.3 指数梯度涂层的形变模型

5.2 梯度涂层的多碰蠕变

5.2.1 蠕变与多碰蠕变

5.2.2 梯度涂层的多碰蠕变规律

5.3 梯度涂层的循环硬化(软化)现象

5.3.1 循环硬化和循环软化概念

5.3.2 循环硬化的不同阶段

5.3.3 梯度涂层的循环硬化(软化)及特点

5.4 冲击前后试件微观组织比较

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢