金属陶瓷硬质覆层零件设计理论及其可靠性研究

摘要

金属陶瓷硬质覆层零件是利用先进涂覆层技术在基体零件上涂覆金属陶瓷硬质覆层而得到的新型层状复合材料零件，可广泛应用于耐磨抗蚀、耐疲劳抗氧化及耐高温场合。针对目前缺乏系统的适应于金属陶瓷硬质覆层零件设计理论的现状，本文在对金属陶瓷硬质覆层材料等效性能研究的基础上，对覆层零件在典型服役条件下的设计理论及其可靠性进行了系统研究，为进一步扩大该新型覆层零件的应用领域奠定了理论基础。 提出了金属陶瓷硬质覆层材料的等效弹性模量的概念，建立了其等效弹性模量与组成材料弹性模量、热膨胀系数、覆层厚度等参数之间的理论关系模型，并进行了实验研究。建立了金属陶瓷硬质覆层材料等效泊松比和等效剪切模量理论模型。 建立了覆层受压和受拉两种作用方式下金属陶瓷硬质覆层材料的等效抗弯强度理论模型，并进行了实验研究。结果表明，材料的等效抗弯强度随着覆层厚度的增加而增加；覆层受压时，材料首先在硬质覆层的最大压应力点发生破坏，而覆层受拉时，材料首先在硬质覆层的最大拉应力点发生破坏。针对覆层受压，提出了基于等效抗弯强度进行硬质覆层零件设计时，应该以覆层部分材料的抗压强度而不是以基体材料的抗拉强度为设计准则。对金属陶瓷硬质覆层材料的等效屈服强度、界面拉伸强度和界面剪切强度随覆层厚度的变化规律进行了实验研究。 提出了磨损载荷作用下金属陶瓷硬质覆层零件的设计准则，即基于允许磨损量、等效最大剪切应力和界面剪切强度的设计准则。建立了覆层零件磨损量、等效最大剪切应力以及界面最大剪切应力理论模型，并进行了实例和有限元研究。结果表明，当零件总厚度不变时，硬质覆层零件的等效最大剪切应力和界面最大剪切应力均随着覆层厚度的增大而减小、随着磨损载荷的增大而增大、并与摩擦副材料有关。 对基于裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件的设计理论进行了研究，提出了一个适应于硬质覆层零件的、用于判断界面裂纹扩展方向的新参数，即界面裂纹扩展方向的相对扩展性能参数CP。 对基于平行并位于界面的裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则进行了理论和实例研究。理论分析了该界面裂纹分别向硬质覆层内偏折、向基体内偏折、沿界面三个方向扩展的相对扩展性能参数。提出了平行并位于界面的裂纹扩展准则，根据该准则，实例分析了该界面裂纹分别沿三个方向扩展的最大能量释放率、相对扩展性能参数及扩展角与载荷作用角ψ、覆层厚度比h1/h、载荷Q大小及零件组成材料弹性模量比E1/E2之间的关系。结果表明，对于实例中所研究的金属陶瓷硬质覆层零件，其平行并位于界面的裂纹首先向硬质覆层内扩展。 对基于垂直并停留在界面的裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则进行了理论和实例研究。理论分析了该界面裂纹沿五个可能扩展方向(分别从两个方向向硬质覆层内偏折，向基体内偏折，分别从两个方向沿界面偏折)的相对扩展性能参数。提出了垂直并停留在界面的裂纹扩展准则，基于该扩展准则实例分析了界面裂纹沿五个可能扩展方向的最大能量释放率、相对扩展性能参数及扩展角与ψ、h1/h、Q及E1/E2之间的关系。结果表明，对于本例中的金属陶瓷硬质覆层零件，其垂直并停留在界面的裂纹最不容易向基体内扩展，最容易向硬质覆层内偏折。 对基于斜跨界面裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则进行了理论和实例研究。理论分析了斜跨界面裂纹起始扩展位置分别位于硬质覆层内和基体内的相对扩展性能参数。提出了硬质覆层零件内斜跨界面裂纹的扩展准则，实例计算了斜跨界面裂纹分别在硬质覆层内、基体内扩展的最大能量释放率、相对扩展性能参数和扩展角，分析了这三个扩展参数分别随ψ、h1/h、Q、E1/E2、裂纹倾斜角β1以及裂纹分别在硬质覆层和基体内的长度比a1/a2的变化规律。结果表明，本实例中研究的金属陶瓷硬质覆层零件内的斜跨界面裂纹总是首先在硬质覆层内发生扩展。 对稳定热载荷作用下的金属陶瓷硬质覆层零件的设计准则进行了理论和有限元研究。提出了硬质覆层零件在稳定热载荷作用下的设计准则，即基于硬质覆层部分材料抗拉强度、界面拉伸强度及界面剪切强度的设计准则。利用瑞利-里茨法求解了稳定热载荷作用下零件内的热应力场。分别建立了硬质覆层内最大拉应力σ1max、零件界面最大拉应力σzimax和界面最大剪切应力τimax的理论模型。对硬质覆层零件内的热应力进行了有限元研究，分析了σ1max、σzimax及τimax与温度差T、覆层厚度比h1/h及零件组成材料热膨胀系数差α2-α1之间的关系。结果表明，三个应力均随着T的增加而增加；σ1max随着h1/h的增加而下降，τimax随着h1/h的增加而增大，σzimax随着h1/h的增加首先下降然后上升；σ1max、Qzimax和τimax均随着α2-α1的增加而增加。 根据金属陶瓷硬质覆层零件失效过程具有多次性、零件寿命具有累积性、其可靠性具有系统性的特点，将覆层零件的失效过程看成是由首次失效、二次失效及三次失效组成的序列失效过程，建立了基于故障树序列的硬质覆层零件可靠性模型。提出了适于该零件的可靠性评价指标，分别是累积寿命、累积失效概率和累积可靠度。建立了机械冲击载荷作用下金属陶瓷硬质覆层零件失效的故障树序列。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1 金属陶瓷硬质涂覆层材料制备技术及其性能研究现状

1.1.1 金属陶瓷硬质涂覆层材料制备技术研究现状

1.1.2 金属陶瓷硬质涂覆层材料性能研究现状

1.2 金属陶瓷硬质涂覆层材料应用及其零件设计研究现状

1.2.1 金属陶瓷硬质涂覆层材料应用现状

1.2.2 金属陶瓷硬质涂覆层零件设计研究现状

1.3 层状复合材料零件可靠性研究现状

1.4 目前研究存在的问题

1.5 本课题研究的目的、意义及主要研究内容

1.5.1 本课题研究的目的和意义

1.5.2 本论文的主要研究内容

第2章 金属陶瓷硬质覆层材料的等效性能研究

2.1 金属陶瓷硬质覆层材料等效性能的概念

2.2 金属陶瓷硬质覆层材料等效物理性能研究

2.2.1 不考虑残余应力的等效物理性能参数

2.2.2 考虑残余应力的等效物理性能参数

2.3 金属陶瓷硬质覆层材料的等效力学性能研究

2.3.1 等效屈服强度

2.3.2 等效抗弯强度

2.3.3 界面结合强度

2.4 本章小结

第3章 基于耐磨损性能的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.1 概述

3.2 金属陶瓷硬质覆层零件在磨损载荷作用下的磨损机理与失效原因

3.3 基于允许磨损量的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.3.1 磨损率模型

3.3.2 允许磨损量的确定

3.4 基于等效最大剪切应力的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.4.1 金属陶瓷硬质覆层零件内等效最大剪切应力理论模型的建立

3.4.2 基于等效最大剪力应力的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.4.3 实例研究与有限元分析

3.4.4 基于等效最大剪力应力的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则总结

3.5 基于界面剪切强度的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.5.1 基于界面剪切强度的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

3.5.2 金属陶瓷硬质覆层零件界面最大剪切应力理论模型

3.5.3 实例研究与有限元分析

3.5.4 基于界面剪切强度的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则总结

3.6 本章小结

第4章 基于裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

4.1 金属陶瓷硬质覆层零件内裂纹扩展理论研究

4.1.1 裂纹形成及其可能扩展方向

4.1.2 界面裂纹扩展准则

4.2 基于平行并位于界面的裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

4.2.1 裂纹沿界面扩展的相对扩展性能参数

4.2.2 裂纹向硬质覆层内偏折的相对扩展性能参数

4.2.3 裂纹向基体内偏折的相对扩展性能参数

4.2.4 平行并位于界面的裂纹扩展准则

4.2.5 基于平行并位于界面的裂纹扩展的硬质覆层零件设计实例分析

4.3 基于垂直并停留在界面的裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

4.3.1 垂直并停留在界面的裂纹尖端应力场

4.3.2 裂纹偏折回覆层内的相对扩展性能参数

4.3.3 裂纹向界面偏折的相对扩展性能参数

4.3.4 裂纹向基体内偏折的相对扩展性能参数

4.3.5 垂直并停留在界面的裂纹扩展准则

4.3.6 基于并停留在界面的裂纹扩展的硬质覆层零件设计实例分析

4.4 基于斜跨界面裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

4.4.1 起裂点位于覆层内时斜跨界面裂纹的相对扩展性能参数

4.4.2 起裂点位于基体内时斜跨界面裂纹的相对扩展性能参数

4.4.3 斜跨界面裂纹扩展准则

4.4.4 基于斜跨界面裂纹扩展的硬质覆层零件设计实例分析

4.5 基于裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计步骤

4.6 本章小结

第5章 基于稳定热载荷作用的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

5.1 稳定热载荷作用下金属陶瓷硬质覆层零件失效的主要原因

5.2 金属陶瓷硬质覆层零件热应力场的理论分析

5.3 稳定热载荷作用下金属陶瓷硬质覆层零件设计准则

5.3.1 基于硬质覆层部分材料抗拉强度的设计准则

5.3.2 基于硬质覆层材料界面拉伸强度的设计准则

5.3.3 基于硬质覆层材料界面剪切强度的设计准则

5.4 金属陶瓷硬质覆层零件热应力有限元分析

5.4.1 有限元分析过程

5.4.2 热应力分部规律

5.5 本章小结

第6章 金属陶瓷硬质覆层零件的可靠性研究

6.1概述

6.2 金属陶瓷硬质覆层零件可靠性模型的建立

6.2.1 金属陶瓷硬质覆层零件失效模式分析

6.2.2 基于故障树序列的金属陶瓷硬质覆层零件可靠性模型的建立

6.2.3 金属陶瓷硬质覆层零件可靠性评价指标

6.3 建立金属陶瓷硬质覆层零件故障树序列的实例研究

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

论文创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及奖励

致谢