基于划痕法tin涂层摩擦接触失效机理研究

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1、学校代号10530学号201230071600分类号O343密级硕士学位论文基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究学位申请人薛雷指导教师冯剑军副教授学院名称机械工程学院学科专业机械工程研究方向机械创新设计与优化二零一五年四月StudyontheFailureMechanismofTiNCoatingunderFrictionalContactBasedontheScratchingExperimentCandidateXueLeiSupervisorFengJianjunCollegeSchoolofMechanicalEngineeringProgramMechan

2、icalEngineeringSpecializationCreativeDesignandOptimumofConstructionMachineryDegreeMasterofEngineeringinMechanicalEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateApril,2015湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研巧所取得的研究成果。除」文中特别加不注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集

3、体，均已在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。＊作者签名：日期：知皆年《月日学位论女版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：曰期：如少年々月＾曰导师签名：日期：ｗＴ年月。日ｊ＾湘潭大学硕士学位论文摘要目前，表面涂层技术已成为提高材

4、料抗疲劳和抗磨损性能的重要手段。许多零部件，例如刀具、齿轮和轴承等，通过表面涂层，改善接触性能。但由于涂层制造过程中不可避免的缺陷以及涂层基体之间弹性参数不连续性，在接触应力作用下涂层结构易产生裂纹，随着裂纹的扩展，引起涂层的剥落而造成零件的失效。为满足涂层结构在工程应用中的可靠性要求，需要研究在摩擦接触条件下涂层结构的失效机理。本文主要完成了以下工作：1利用等离子辅助化学气相沉积技术制备厚度为10μm的氮化钛涂层，其基体为高速钢。利用显微硬度仪测量得到涂层的硬度约为2000HV~4000HV，利用纳米压痕仪测量得到涂层的弹性模量和断裂韧度分别为590GPa和12/3.

5、30MPa·m。划痕法本质上属于摩擦接触问题，可通过扫描电镜对涂层划痕表面进行观察与分析，结果表明在涂层表面产生了平均间距约为5.1μm弧形裂纹，同时测得涂层表面的摩擦系数约为0.25。2利用有限元软件对压头在涂层表面的滑动过程进行模拟，获得了压入阶段与滑动阶段的应力云图和涂层中应力的变化曲线，分析了涂层中应力的分布特点；根据涂层中应力分布规律，分析了裂纹可能产生的原因以及裂纹可能产生的位置。3根据扩展有限元理论，应用ABAQUS有限元软件模拟了球形压头在涂层表面的滑动过程中涂层裂纹的产生与扩展。模拟结果表明：压入阶段，涂层界面首先产生裂纹，并沿着厚度向表面扩展；滑动阶

6、段，涂层表面与界面出现大量裂纹，亚表面有少量裂纹产生；涂层表面裂纹和界面裂纹主要是最大拉应力引起的Ⅰ型裂纹。通过模拟压头在涂层表面的往复滑动，结果表明涂层表面裂纹在应力作用下将向界面扩展，而涂层界面裂纹向表面扩展，最终形成贯穿裂纹，导致涂层的剥落。上述结果为涂层的工程应用以及涂层结构优化设计提供了依据。关键词：涂层应力；裂纹；扩展有限元方法I湘潭大学硕士学位论文AbstractAtpresent,thesurfacecoatingtechnologyhasbecomeanimportantmeanstoimprovethefatigueresistanceandthea

7、brasionresistanceofmaterial.Manypartssuchascuttingtools,gearsandbearingsthatimprovecontactperformancebysurfacecoatingtechnology.Duetotheinevitabledefectsandtheelasticparameterdiscontinu-itybetweenthecoatingsubstrateinthecoatingmanufacturingprocess,thecoatingstructureiseas