涂层裂纹失效过程的数值模拟

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要耐磨涂层广泛应用于机械零部件的表面，以提高摩擦表面局部区域的抗磨损能力、延长零部件的使用寿命，以达到节约材料、降低成本的目的。但涂层在实际应用中却存在不足，主要表现在：(1)涂层与基体结合界面、涂层本身的加工和材料缺陷；(2)在循环载荷作用下涂层界面容易产生裂纹，导致涂层失效甚至与基体剥离。如在飞机零件、压力容器、管道系统中往往存在促使涂层失效的表面裂纹，并易造成重大事故和经济损失。研究这些涂层裂纹的生成、扩展机理和规律，以作为工程应用的理论基础，是个十分重要并亟待解决的

2、热门研究课题。本文使用有限元方法重点研究类金刚石陶瓷涂层和TiN涂层在刚性球静态和滑动两种状态下裂纹前沿的J积分值、应力应变和裂纹的扩展等规律。计算了界面裂纹和表面裂纹在不同载荷、不同基体弹性模量和不同裂纹参数条件下的疲劳寿命。分析了压头半径对塑性变形的影响，模拟结果表明：(1)陶瓷涂层厚度和压头半径之比对涂层失效、基体塑性变形及裂纹的形成有显著影响：(2)在刚性球压头静态挤压条件下，陶瓷涂层中的预制裂纹按照椭圆形裂纹规律扩展：(3)陶瓷涂层的疲劳寿命与基体和载荷有很大关系，基体弹性模量越小，疲劳寿命延长。载荷

3、增大，疲劳寿命急剧下降；(4)陶瓷涂层厚度、粘层厚度、基体材料弹性模量、裂纹长度与深度之比和裂纹深度与涂层厚度比对J积分值均有显著影响；(5)在TiN涂层中，分析了裂纹前沿关键点位置的应力应交，应力和应变在有裂纹和无裂纹时有很大的差别；(6)TiN涂层裂纹前沿进入塑性后等分点位置三个积分环的J积分值相差越来越大；(7)建立了涂层在弹塑性情况下裂纹扩展模型，模拟分析了TiN涂层界面和表面裂纹的扩展规律，TiN涂层的裂纹扩展模式和陶瓷涂层不同；(8)在载荷、涂层厚度、裂纹深度与涂层厚度之比一定的情况下，基体弹性模量

4、越小，涂层疲劳寿命延长。关键词：涂层有限元法J积分裂纹扩展疲劳寿命西南交通大学硕士研究生学位论文第Ⅱ页AbstractThechnologyofwear-resistingcoatingiswidelyappliedtothecontactedsurfacesofmanymachines，whichcanimprovethecapabilit)，ofresistingfrictionalweal-onthelocalcontactareas．prolongthework-lifcandruducethecost

5、．However,duringtheprocessofmanufacturetheremustbesomeflawsinevitablywithintheinterfacesorcoatings，whereitiseasytoformtheeriticalcracks，makingcoatingsfailureandpeeledoffunderslidingcontact．Surfacecracks，whicharemostlikelytobefoundinmanystructuresinservice,suc

6、haspressurevessels，pipelinesystemsandaircraftcomponents，havebeenrecognizedasamajororiginofpotentialfailureforsuchcomponents．Thestudyoffatiguecrackpropagationfromsuchdefectsasthefoundationofapplicationforengineerhasbeenanimportantsubject．Thej·integralvalue，st

7、ressandstrainofcrackandcrackpropagationincoatingundertheindentingbyrigidspherearestudiedbyuseofthefiniteelementmethodsindiamond—likeceramicandTiNcoating．FatigueofthecoatingWascalculatedunderdifferentlOadS．substratesandcrackparametersforsurfacecrackandinterfa

8、cecrack．Theinfluenceofindentorradiusontheplasticdeformationhasbeendiscussedandsomeimportantresultsareasfollows：(1)11leinfluenceoftheratioofceramiccoatingthicknesstoindenterradiusonthefailureofco