热裂纹在化学镀钴磷层内部扩展的形式及机理

摘要

采用化学镀工艺在钢结硬质合金基体上化学镀钴磷合金镀层，借助金相分析、扫描电镜、X射线衍射等方法研究了镀层的表面结构、形貌，重点研究了镀层以及基体的热疲劳行为：热疲劳裂纹的孕育萌生，热疲劳裂纹在镀层内和基体上的扩展形式及机理，化学镀工艺以及基体组织对材料热疲劳性能的影响。
　　 研究结果表明，镀态下的化学镀钴磷合金层为磷在a-Co中的过饱和置换固溶体，热疲劳后固溶体发生同素异构转变。热循环次数小于200次时，镀层表面主要产生氧化，无裂纹产生；当次数超过200次时，镀层发生一定的塑性变形，随着循环次数的增加，镀层的塑性应变能逐渐减少，最后在缺口根部萌生裂纹，热疲劳裂纹的萌生及扩展是循环热应力和高温氧化共同作用的结果。
　　 热疲劳裂纹萌生存在孕育期，镀层表面存在的夹杂物和孔洞在循环热应力的作用下成为裂纹源。随着微孔洞的增多和聚集，距离较近的相邻微孔洞之间可通过连通从而形成小裂纹。随着循环次数的增加，热裂纹通过孔洞之间的连接沿着热循环方向不断向前扩展。
　　 热疲劳裂纹在试样基体上的扩展方式主要为：沿着碳化物与基体边界扩展，边界生成氧化腐蚀物，基体和碳化物脱离开裂完成裂纹的扩展；热疲劳裂纹穿越块状碳化物、碎化碳化物以及自裂的碳化物从而继续扩展。
　　 当热疲劳裂纹纵向扩展穿过镀层在试样基体上萌生扩展时，热疲劳裂纹的萌生与碳化物的聚集有关，而热疲劳裂纹的扩展是通过主裂纹与空洞及微裂纹之间的桥接方式进行，裂纹扩展方式可用塑性钝化模型来解释。

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致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2化学镀基础

1.2.1化学镀发展简史

1.2.2化学镀液的分类

1.2.3化学镀的溶液组成

1.2.4化学镀的特点及工艺要求

1.2.5化学镀反应机理

1.3化学镀钴磷合金概述

1.3.1化学镀钴磷合金机理

1.4化学镀钴磷层的性能

1.5化学镀钴磷层的应用

第二章 实验材料制备及热疲劳实验

2.1实验方法

2.1.1镀液的配制

2.1.2施镀工艺流程

2.1.3镀液沉积速度测定

2.1.4镀层组织结构和表面形貌考察

2.1.5镀层硬度的测定

2.2基体材料的制备

2.3热疲劳试验

2.3.1热疲劳试验方法

2.3.2影响热疲劳试验结果的因素

2.4实验仪器及设备

第三章 化学镀钴磷层热疲劳行为

3.1引言

3.2化学镀钴磷层结构

3.3试样表面热疲劳行为

3.4试样侧面热疲劳行为

3.4.1基体内部结构导致的镀层剥落

3.4.2基体的氧化腐蚀导致镀层开裂

3.4.3塑性变形导致镀层损伤

3.5本章结论

第四章 化学镀钴磷层热疲劳裂纹萌生扩展形式

4.1引言

4.2热疲劳裂纹的孕育与萌生

4.3热裂纹的萌生形式

4.3.1镀层表面热裂纹

4.3.2镀层侧面的热裂纹

4.4镀层内部热疲劳裂纹的扩展

4.4.1热裂纹在镀层内部的扩展形式

4.4.2热疲劳裂纹扩展伴随着氧化腐蚀

4.4.3热疲劳裂纹的分叉与二次裂纹

4.5本章结论

第五章 热疲劳裂纹在试样基体上的扩展

5.1引言

5.2热裂纹在试样基体上的扩展形式

5.3碳化物存在形态

5.4热裂纹在试样基体上的不同扩展方式

5.5本章结论

第六章 化学镀钴磷层热疲劳机理

6.1引言

6.2化学镀钴磷层热疲劳裂纹萌生机制

6.3热疲劳裂纹扩展机理

6.3.1热疲劳裂纹扩展速率

6.3.2裂纹扩展过程中的能量关系

6.4镀层的循环软化机制

6.5本章总结

第七章 结论

7.1总结

7.2创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文