硬质合金残余热应力的理论计算与数值模拟new

《硬质合金残余热应力的理论计算与数值模拟new》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、万方数据第38卷增刊12009年4月稀有金属材料与工程RAREMETAI，～IATERIAI．SANDENGn呵EERⅢGV01．38，Suppl．1April2009硬质合金残余热应力的理论计算与数值模拟黄自谦1，贺跃辉1，武从海2张丽娟1，肖逸锋1，黄伯云1(1．中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙410083)(2．河南科技大学，河南洛阳471003)摘要：采用Eshelby理论计算与数值模拟相结合的方法分析了均质硬质合金内部微观应力，得到以下结论：根据Eshelby理论模型，当夹杂为椭球状时，夹杂内得到均匀的应力．应变场，且得到

2、的结果为三轴应力，而当夹杂非理想形状时，由数值计算得出夹杂内的应力．应变场是不一致的，且夹杂内出现大的等效应力；当不考虑温度相关的材料参数时。数值模型和理论模型的结论一致，然而，当考虑温度相关的材料参数时，数值模型的结果远小于理论计算。因此。采用数值计算方法得到的结果更为精确。关键词：硬质合金：残余应力：Eshelby模型；有限元方法中图法分类号：TFl24．5文献标识码：A文章编号：1002．185X(2009)S1．303-05对硬质合金残余应力的研究已经进行了七、八十年了。由于一般残余应力是难以理解和触摸不到的东西，残余应力测定的手续

3、复杂，极为麻烦；再者，残余应力残生的原因是复杂的，产生的状况也是多方面的。之所以开展对残余应力的研究，是因为残余应力大大影响着合金的使用寿命。确定硬质合金中残余应力的分布有很多种方法。一般来说，可以分为三类，即机械测定法、X射线和中子射线衍射法【l】、解析法和数值分析法[2，31。针对不同的材料、不同的位置和不同的需要，我们可以选择不同的方法。这里考虑的是硬质合金，由于硬度和强度都非常大，机械测定法难度很大。X射线衍射法较为可行，也是当前较为流行的一种方法，在理论、方法和测试经验上都已经较为成熟了。但是由于X射线衍射强度的限制，其穿透的深度

4、仅限于材料表面10-30tun的范围，因此这种方法只适用于测量材料表面的宏观残余应力。中子衍射法可以弥补这种不足，可以测出材料不同深度处的残余应力。但是只有国外的少数地方有此种仪器可以测量，不是很普及。对于无限大基体中含有椭球形夹杂这一特例，Eshelby证明夹杂中的应力是均匀的【41。假设椭球形夹杂与周围无限大基体是同一材料(即从无限基体中某一椭球区中取出)，它允许经历无约束相变应变，因为受约束的夹杂的应力状态是均匀的，可以通过外加表面力迫使其回复到原来的状态，然后迫使其正好填充基体中的椭球空洞。放入基体后保持基体为原始形状所施加的表面力

5、释放。当夹杂与基体之间达到平衡，夹杂产生了与初始预相变形状相关的约束应变，，通过所谓的Eshelby张量S使约束应变与无应力相变应变相联系，即cC=Smer(1)式中下标m代表基体。由于(e‰飞是夹杂中均匀的弹性应变，它可以引起内应力，夹杂中的应力可用Hooke定律获得：cri唱(￡‰r)(2)Eshelby张量S一个特别有用的性质是它可以确定夹杂中的均匀应力应变场，而避免解复杂的基体应力场。如果基体中的弹性变形表现出各向同性材料的对称性，品只依赖于基体的泊松比及椭球夹杂的长径比。通过Eshelby张量求热残余应力时有以下约束：夹杂必须是椭

6、球形状的，我们实际应用时计算的是球形夹杂：夹杂的体积比必须很小，当遇到大的体积比时，就不适用了。数值计算刚好可以弥补这种缺陷，可以考虑不同形状和不同体积比的夹杂产生的残余应力场。在热影响下的残余应力时，我们可以同时考虑温度场和应力场。因此，这里同时采用两种方法并比较其结果，对硬质合金内部的微观应力进行详细的分析。收稿日期：2009-02．10基金项目：国家自然科学基金专项基金资助项1

7、(50323008)作者简介：黄自谦，男，1972年生，博士，中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙410083，电话；0731-6644053；通讯作者：

8、贺跃辉，教授，博导。电话：0731-8877391；E-mail：yuehui(如aiLcsu．ed眦-n万方数据·304·稀有金属材料与工程第38卷1硬质合金热应力的EsheIby模型根据瑞典的KatharinaBuss博士论文提供的方法【卯，利用Esheiby模型可以计算WC基体中Co相由于热膨胀系数的差异而引起的本征应变和应力。由于温度变化而引起的本征应变我们用sP表示。在这里采用了文献【8】中的公式。假设椭球体夹杂与基体的弹性常数是不同的。为了得到解析解，这里介绍Eshelby等效夹杂的方法。假设一个与基体有相同弹性常数的颗粒来代替

9、实际的颗粒夹杂，以得到最后的应力状态。这样基体和夹杂的变形可以通过假想颗粒的等效变形，。来决定。而等效应变可以通过本征应变8P变换而得，=一{(cIm—C：)·【S—f·(s-z