摘 要： 采用(yong)冪指數(shu)描述(shu)“三明治(zhi)”式(shi)梯(ti)(ti)度(du)(du)結(jie)構(gou)(gou)形式(shi), 建立鎳基氧(yang)化(hua)鋁(lv)梯(ti)(ti)度(du)(du)陶瓷(ci)涂(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)靜(jing)態接(jie)觸集(ji)中(zhong)力(li)載(zai)荷(he)作用(yong)下(xia)有(you)限元(yuan)模型(xing), 分析靜(jing)態接(jie)觸集(ji)中(zhong)力(li)載(zai)荷(he)作用(yong)下(xia)涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)Mises應(ying)力(li)分布, 以及梯(ti)(ti)度(du)(du)層(ceng)(ceng)的(de)厚(hou)度(du)(du)、中(zhong)間層(ceng)(ceng)數(shu)及結(jie)構(gou)(gou)形式(shi)對(dui)涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)Mises應(ying)力(li)分布及較大Mises應(ying)力(li)發生(sheng)位(wei)(wei)置的(de)影(ying)響。結(jie)果表(biao)明:梯(ti)(ti)度(du)(du)結(jie)構(gou)(gou)對(dui)接(jie)觸區Mises應(ying)力(li)大小及分布影(ying)響不大, 但影(ying)響較大Mises應(ying)力(li)發生(sheng)位(wei)(wei)置;合理的(de)梯(ti)(ti)度(du)(du)結(jie)構(gou)(gou)能避開(kai)較大Mises應(ying)力(li)發生(sheng)在(zai)表(biao)面強化(hua)區及梯(ti)(ti)度(du)(du)區中(zhong), 防(fang)止(zhi)陶瓷(ci)涂(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)接(jie)觸載(zai)荷(he)作用(yong)下(xia)疲勞脫落。制備層(ceng)(ceng)狀結(jie)構(gou)(gou)梯(ti)(ti)度(du)(du)陶瓷(ci)涂(tu)層(ceng)(ceng)時, 采用(yong)氧(yang)化(hua)鋁(lv)層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)20μm、線性梯(ti)(ti)度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)80μm、8層(ceng)(ceng)中(zhong)間層(ceng)(ceng), 可改善Mises應(ying)力(li), 適(shi)當避開(kai)較大Mises應(ying)力(li)發生(sheng)在(zai)梯(ti)(ti)度(du)(du)區。
金屬(shu)陶(tao)瓷(ci)以其(qi)優異(yi)(yi)的(de)耐磨性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)展現(xian)出廣闊的(de)工(gong)程應(ying)(ying)用(yong)前景, 但由(you)于(yu)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)脆性(xing)(xing)制約了(le)其(qi)應(ying)(ying)用(yong)。隨著(zhu)3D打印(yin)技術(shu)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)(fa)展, 機(ji)械制造(zao)轉(zhuan)變為(wei)(wei)(wei)可以運(yun)(yun)用(yong)金屬(shu)粉體和塑料(liao)等可黏合材(cai)料(liao), 通過3D打印(yin)制造(zao)機(ji)械零件(jian)(jian), 有(you)人(ren)形象將這種制造(zao)方式轉(zhuan)變稱為(wei)(wei)(wei)從制造(zao)過程做“減法(fa)(fa)運(yun)(yun)算”轉(zhuan)變為(wei)(wei)(wei)做“加法(fa)(fa)運(yun)(yun)算”的(de)改變。機(ji)械制造(zao)技術(shu)的(de)轉(zhuan)變, 使得根據機(ji)械零件(jian)(jian)應(ying)(ying)力分布(bu)特點、動力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)、零件(jian)(jian)功能(neng)(neng)(neng)要求及工(gong)況條(tiao)件(jian)(jian)要求進(jin)行功能(neng)(neng)(neng)區(qu)劃分, 各功能(neng)(neng)(neng)區(qu)之(zhi)間設計(ji)(ji)相應(ying)(ying)的(de)梯度(du)結構漸(jian)變成為(wei)(wei)(wei)可能(neng)(neng)(neng)[1-2]。開展基(ji)于(yu)機(ji)械零件(jian)(jian)功能(neng)(neng)(neng)區(qu)差(cha)異(yi)(yi)進(jin)行分區(qu)選材(cai)的(de)設計(ji)(ji)理論為(wei)(wei)(wei)具有(you)梯度(du)復合材(cai)料(liao)/結構機(ji)械零件(jian)(jian)設計(ji)(ji)提供(gong)了(le)指導, 將會很大地促進(jin)機(ji)械設計(ji)(ji)學科的(de)發(fa)(fa)展[3-7]。
本文作(zuo)者(zhe)以耐磨損、抗接觸疲勞2個功(gong)能區為研究對(dui)象, 分(fen)析Al2O3-Ni陶(tao)瓷金屬梯(ti)(ti)(ti)度結(jie)構(gou)在接觸應(ying)(ying)力作(zuo)用下, 不同梯(ti)(ti)(ti)度結(jie)構(gou)基(ji)體(ti)內部Mises應(ying)(ying)力變化。以減少界面應(ying)(ying)力突變, 改善Mises應(ying)(ying)力分(fen)布、較大Mises應(ying)(ying)力不發生在表(biao)面強化區并避開梯(ti)(ti)(ti)度區為目標, 探討該工(gong)況條件下梯(ti)(ti)(ti)度結(jie)構(gou)的設(she)計方法(fa)。
1 功能區結構設計模型
1.1 功能區結(jie)構(gou)建模
假定某機械零件(jian)表(biao)層(ceng)(ceng)耐磨(mo)性(xing)(xing)能要(yao)求高, 同時承受較大的(de)(de)接(jie)觸(chu)(chu)應(ying)力作用, 零件(jian)的(de)(de)失(shi)效形式為(wei)磨(mo)損(sun)和接(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)勞(lao)(lao)失(shi)效, 零件(jian)劃分(fen)為(wei)表(biao)層(ceng)(ceng)耐磨(mo)區(qu)和內部抗接(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)勞(lao)(lao)區(qu), 耐磨(mo)區(qu)和接(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)勞(lao)(lao)區(qu)之間(jian)(jian)采(cai)用梯(ti)度(du)(du)過渡。采(cai)用連續介質鎳(nie)(nie)-鎳(nie)(nie)/氧化鋁梯(ti)度(du)(du)層(ceng)(ceng)-氧化鋁模(mo)型(xing)描述(shu)這結構(gou)(gou)形式。梯(ti)度(du)(du)層(ceng)(ceng)是由系列中(zhong)(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)疊加而(er)成(cheng)“三明治”式結構(gou)(gou), 是分(fen)配不同的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)屬性(xing)(xing)結合(he)完好的(de)(de)復合(he)中(zhong)(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng), 材(cai)料(liao)(liao)物理性(xing)(xing)能為(wei)各向同性(xing)(xing)。采(cai)用如圖1所示的(de)(de)剛性(xing)(xing)小球(qiu)接(jie)觸(chu)(chu)具有梯(ti)度(du)(du)結構(gou)(gou)圓柱體(ti)的(de)(de)彈(dan)塑(su)性(xing)(xing)計算模(mo)型(xing), 模(mo)型(xing)起始處于自由應(ying)力狀態, 不考慮溫度(du)(du)對材(cai)料(liao)(liao)屬性(xing)(xing)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)剛性(xing)(xing)小球(qiu)直接(jie)接(jie)觸(chu)(chu)厚(hou)度(du)(du)為(wei)δ1的(de)(de)氧化鋁層(ceng)(ceng), 基(ji)體(ti)厚(hou)度(du)(du)為(wei)δ3, 基(ji)體(ti)鎳(nie)(nie)與氧化鋁層(ceng)(ceng)間(jian)(jian)是厚(hou)度(du)(du)為(wei)δ2的(de)(de)梯(ti)度(du)(du)層(ceng)(ceng)。
圖1 剛(gang)性(xing)小球接觸具有梯度(du)涂層結構圓柱體模(mo)型(xing)
1.2 模型幾何特征和網格劃分(fen)
計算模(mo)型中的圓柱(zhu)體(ti)總厚(hou)度δ1+δ2+δ3=40.4 mm不(bu)變, 增加梯度層(ceng)厚(hou)度δ2, 基體(ti)厚(hou)度δ3相應減少。表(biao)1給出(chu)了(le)模(mo)型參數。靠近(jin)鎳基體(ti)的梯度層(ceng)中鎳含(han)(han)量較大, 靠近(jin)氧化(hua)鋁(lv)層(ceng)的梯度層(ceng)中氧化(hua)鋁(lv)含(han)(han)量較大, 梯度層(ceng)中氧化(hua)鋁(lv)含(han)(han)量按一定的體(ti)積分布函數呈現梯度變化(hua)。
表1 模型參數
針(zhen)對模(mo)型(xing)(xing)存(cun)在(zai)幾(ji)何的對稱性, 簡化圖1所(suo)示的計算(suan)模(mo)型(xing)(xing), 建立如圖2所(suo)示的模(mo)型(xing)(xing)坐(zuo)(zuo)標系, 取(qu)坐(zuo)(zuo)標系所(suo)在(zai)平面(mian)與模(mo)型(xing)(xing)相交所(suo)得(de)橫斷(duan)面(mian)進(jin)行分(fen)(fen)(fen)析。在(zai)ANSYS中建立圖3所(suo)示的二維(wei)平面(mian)模(mo)型(xing)(xing), 分(fen)(fen)(fen)析該模(mo)型(xing)(xing)在(zai)壓(ya)力(li)載(zai)荷作(zuo)用下應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變(bian), 接觸表面(mian)為x軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou), 取(qu)具(ju)有梯度結構圓柱體中心軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)為y軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou), 初始接觸點(dian)為坐(zuo)(zuo)標原點(dian)O。在(zai)小球中心處(chu)施加集中力(li)載(zai)荷100 N, 并(bing)在(zai)接觸區域建立赫茲接觸對, 對稱軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)y軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)上施加對稱約束(shu), 基(ji)體底(di)部施加全(quan)約束(shu)。對靠近接觸面(mian)的圓柱體特(te)定(ding)區域進(jin)行網(wang)格細化, 其網(wang)格沿著x軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)方向劃分(fen)(fen)(fen)50等份(fen), 每(mei)份(fen)長度40μm, 沿著y軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)方向劃分(fen)(fen)(fen)250等份(fen), 每(mei)份(fen)長度10μm。
圖2 模型坐標系
圖(tu)3 有限元(yuan)模型網格劃(hua)分
2 Al2O3-Ni二組元梯度材料屬性描述
2.1 梯(ti)度層組(zu)分(fen)分(fen)布形式
假定(ding)鎳-氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)組(zu)成(cheng)的金屬陶瓷復合材料中的氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)沿(yan)梯度(du)層(ceng)厚(hou)度(du)即y軸方向呈(cheng)現一維連續分(fen)布(bu), 氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)的體積(ji)(ji)分(fen)布(bu)是(shi)y的一元(yuan)函(han)數(shu)。文(wen)中氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)分(fen)布(bu)采用(yong)WAKASHIMA等[8]提出的冪函(han)數(shu)分(fen)布(bu)形式, 氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)組(zu)元(yuan)沿(yan)厚(hou)度(du)方向上體積(ji)(ji)分(fen)布(bu)為(wei)
式中:Vf (y) 為(wei)氧化鋁在梯度(du)(du)(du)層(ceng)中的(de)(de)體積(ji)分(fen)數;p為(wei)組元成(cheng)分(fen)氧化鋁分(fen)布指數;y為(wei)沿著Y軸方向梯度(du)(du)(du)層(ceng)厚(hou)(hou)度(du)(du)(du);δ2為(wei)梯度(du)(du)(du)層(ceng)的(de)(de)總厚(hou)(hou)度(du)(du)(du)。
圖4示出(chu)了不同分(fen)(fen)布(bu)指數對應的成分(fen)(fen)分(fen)(fen)布(bu)曲線(xian)。
圖4 不同p值下(xia)的二組元體積分布曲(qu)線
由圖4可(ke)知, 通過改(gai)變p值的大小, 能得到不同(tong)形式漸變梯度層(ceng), 就可(ke)以(yi)改(gai)變梯度結構中氧化(hua)鋁分布。
2.2 二組元梯度結構分布模型
采用(yong)有限元分(fen)析梯(ti)(ti)度層(ceng)應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變過程(cheng)中, 鎳-氧化(hua)(hua)鋁組(zu)成的(de)(de)梯(ti)(ti)度復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)考(kao)慮為彈(dan)性體, 不(bu)發生塑性變形, 且計(ji)(ji)算(suan)(suan)服(fu)從Von Mises屈服(fu)條件。梯(ti)(ti)度層(ceng)各層(ceng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)性能存(cun)在(zai)微(wei)小差別, 各層(ceng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)物理性能同組(zu)元的(de)(de)體積(ji)分(fen)數(shu)相關(guan), 按層(ceng)狀(zhuang)“三明治(zhi)”結構(gou)模擬不(bu)同體積(ji)分(fen)數(shu)梯(ti)(ti)度層(ceng)[9]。在(zai)對梯(ti)(ti)度復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)研究中, 較常(chang)采用(yong)的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)參(can)數(shu)計(ji)(ji)算(suan)(suan)方法是按TAMURA等[10]提出的(de)(de)修正混合定律計(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)。圖5示(shi)出了(le)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變關(guan)系。梯(ti)(ti)度中間(jian)層(ceng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變與(yu)鎳和氧化(hua)(hua)鋁的(de)(de)體積(ji)分(fen)數(shu)的(de)(de)關(guan)系為
式(shi)中:σm、σc分(fen)別(bie)(bie)為(wei)鎳(nie)和氧化鋁(lv)的(de)(de)應(ying)(ying)力;εm、εc分(fen)別(bie)(bie)為(wei)鎳(nie)和氧化鋁(lv)的(de)(de)應(ying)(ying)變;σα為(wei)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)應(ying)(ying)力;εα為(wei)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)應(ying)(ying)變;Vm、Vc分(fen)別(bie)(bie)為(wei)鎳(nie)和氧化鋁(lv)的(de)(de)體積分(fen)數, Vm+Vc=1;q為(wei)應(ying)(ying)力應(ying)(ying)變比率, q值(zhi)按式(shi) (3) 求(qiu)解, q值(zhi)取(qu)(qu)接近二組(zu)元(yuan)材(cai)料(liao)實驗值(zhi)4.5 GPa, 關于q的(de)(de)取(qu)(qu)值(zhi)可參閱文(wen)獻[11]。
圖5 復合(he)材(cai)料應力應變關(guan)系示意圖
由(you)式 (2) 、式 (3) 推導出的(de)梯度復合材料的(de)彈性模量為
式(shi)中:Em、Ec為鎳和氧(yang)化鋁的彈性模(mo)量。
梯度復合(he)材料切變模量按下(xia)式求得(de)[9], 其(qi)中Hm為鎳的切變模量。
梯度復合材料的屈(qu)服強度計算公式為
表2給(gei)出了剛體小(xiao)球、鎳基體和氧(yang)化(hua)鋁材料性(xing)能參數。
3 結果與討論
圖6示出(chu)了載荷F=100 N作(zuo)用下無梯(ti)度(du)(du)(du)過渡與線性梯(ti)度(du)(du)(du)過渡結構模(mo)型分(fen)析結果對比, 其中氧化鋁層厚度(du)(du)(du)為(wei)0.02 mm, 梯(ti)度(du)(du)(du)層厚度(du)(du)(du)為(wei)0.08 mm。
從圖6 (a) 中可以看出, 增加(jia)線性梯度層(ceng)對接觸(chu)區(qu)Mises應力(li)分布影響不(bu)大(da), 而較(jiao)(jiao)大(da)Mises應力(li)增大(da)了(le)25 MPa, 但(dan)增加(jia)幅(fu)度不(bu)很(hen)過5%, 較(jiao)(jiao)大(da)Mises應力(li)由距接觸(chu)表面0.11 mm上(shang)升到(dao)0.08 mm位置, 進入到(dao)了(le)梯度層(ceng)。
圖6 (b) 表明線性梯(ti)度層對接觸區剪應力分(fen)布(bu)影響也(ye)不大(da)(da), 較大(da)(da)剪應力大(da)(da)小及發生(sheng)位(wei)置(zhi)發生(sheng)了變化, 較大(da)(da)剪應力發生(sheng)位(wei)置(zhi)也(ye)由基(ji)體位(wei)置(zhi)進入到(dao)梯(ti)度層中。
圖6 (c) 表明增加線性梯度結構(gou)對剪應變分布形(xing)式有(you)所改(gai)變, 大小變化不明顯(xian), 較大剪應變發生(sheng)位(wei)置向下移動了(le)。
圖6 無梯度及線性(xing)梯度過渡時接觸(chu)區Mises應(ying)力、剪應(ying)力和剪應(ying)變分(fen)布 (其中δ1=0.02 mm, δ2=0.08 mm)
3.1 梯度結構(gou)形式對Mises應力(li)分(fen)布的影(ying)響
圖7示出(chu)了100 N載(zai)荷(he)作用下, 氧(yang)化(hua)鋁(lv)層(ceng)(ceng)厚度δ1=0.02 mm, 梯度層(ceng)(ceng)厚度δ2=0.08 mm, 梯度結構(gou)指(zhi)數(shu)與較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)及較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)發(fa)(fa)生(sheng)位(wei)置關(guan)系曲線。可以看出(chu), 當梯度結構(gou)指(zhi)數(shu)p=0.25時, 接(jie)觸區較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)較(jiao)(jiao)大(da)(da), 且較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)與接(jie)觸表(biao)(biao)面(mian)(mian)距離(li)小, 隨著結構(gou)指(zhi)數(shu)p的(de)增大(da)(da), 較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)逐(zhu)漸變小, 且發(fa)(fa)生(sheng)位(wei)置逐(zhu)漸遠(yuan)離(li)接(jie)觸表(biao)(biao)面(mian)(mian), 靠向(xiang)基體(ti)。當p=4時, 較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)發(fa)(fa)生(sheng)在(zai)(zai)距接(jie)觸表(biao)(biao)面(mian)(mian)0.11 mm位(wei)置, 已離(li)開(kai)了梯度層(ceng)(ceng)。而當p=1時, 較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)發(fa)(fa)生(sheng)在(zai)(zai)距接(jie)觸表(biao)(biao)面(mian)(mian)0.08 mm位(wei)置, 此時接(jie)觸區較(jiao)(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)(li)發(fa)(fa)生(sheng)在(zai)(zai)梯度層(ceng)(ceng)內。
圖(tu)7 梯度結構指數對較大(da)Mises應力大(da)小(xiao)及位置的(de)影響
3.2 梯度層厚度對Mises應(ying)力分布的影響(xiang)
圖(tu)8示出了氧化(hua)鋁層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)δ1=0.02 mm, 線(xian)性梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)對較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)大(da)小及發(fa)生(sheng)位置的影(ying)響。可以看出, 在0.08~0.40 mm范圍內(nei), 隨著(zhu)梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)增(zeng)加(jia), 較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)加(jia), 但較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)增(zeng)加(jia)幅度(du)(du)不(bu)大(da), 較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)發(fa)生(sheng)位置與(yu)接觸(chu)表面距離逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da), 但較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)都(dou)發(fa)生(sheng)在梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)內(nei)。梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)增(zeng)加(jia), 使(shi)得較(jiao)大(da)Mises應力(li)(li)進入到梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)中間。
圖8 梯(ti)度層厚度對較(jiao)大Mises應(ying)力大小及位置的影(ying)響(xiang)
3.3 梯度層中間層層數對Mises應力分布(bu)的影響
圖9示(shi)出了氧化鋁層(ceng)(ceng)厚度(du)(du)δ1=0.02 mm時, 梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚度(du)(du)δ2=0.24 mm, 線性梯度(du)(du)結(jie)構中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)數對較(jiao)大(da)Mises應(ying)力(li)(li)大(da)小及發生(sheng)位(wei)置的(de)影響(xiang)。可(ke)以(yi)看出, 增加梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)數, 較(jiao)大(da)Mises應(ying)力(li)(li)有(you)所下降, 但(dan)(dan)中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)數很出8層(ceng)(ceng)后, 下降趨勢(shi)不(bu)(bu)明顯, 從梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)制備工藝考慮, 8層(ceng)(ceng)中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)可(ke)以(yi)獲得較(jiao)好的(de)性能。梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)數對較(jiao)大(da)Mises應(ying)力(li)(li)發生(sheng)位(wei)置影響(xiang)不(bu)(bu)明顯, 但(dan)(dan)當中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)達到12層(ceng)(ceng)時, 較(jiao)大(da)Mises應(ying)力(li)(li)發生(sheng)在距表面0.12 mm處, 較(jiao)8層(ceng)(ceng)中(zhong)間(jian)(jian)層(ceng)(ceng)下移了0.02 mm。
圖9 梯度層層數對較大(da)(da)Mises應力(li)大(da)(da)小及位置的(de)影響
3.4 討論
一般認為在接(jie)(jie)觸(chu)(chu)載荷(he)作(zuo)(zuo)用下Mises應(ying)(ying)力(li)是引起接(jie)(jie)觸(chu)(chu)區(qu)(qu)發(fa)生(sheng)(sheng)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)失(shi)效(xiao)(xiao)的(de)(de)主要(yao)誘因, 較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)很出(chu)材(cai)料(liao)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)很限易引起接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)失(shi)效(xiao)(xiao)。對于(yu)(yu)有(you)(you)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損和(he)(he)接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)要(yao)求的(de)(de)零(ling)(ling)件(jian), 在零(ling)(ling)件(jian)表面(mian)(mian)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)能(neng)(neng)(neng)(neng)顯著提高零(ling)(ling)件(jian)的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。由(you)于(yu)(yu)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)材(cai)料(liao)一般屬于(yu)(yu)脆性(xing)(xing)(xing)材(cai)料(liao), 其抗接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)較(jiao)差(cha), 制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)合(he)(he)適的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)厚度(du)(du)(du)(du)(du)才(cai)能(neng)(neng)(neng)(neng)保證(zheng)零(ling)(ling)件(jian)足夠的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)及(ji)抗接(jie)(jie)觸(chu)(chu)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。過(guo)厚的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)和(he)(he)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)將會使得較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)進入梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)及(ji)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)與梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)間(jian), 對提高零(ling)(ling)件(jian)的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)不利。從接(jie)(jie)觸(chu)(chu)區(qu)(qu)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)結構(gou)(gou)形(xing)式對接(jie)(jie)觸(chu)(chu)區(qu)(qu)較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)和(he)(he)較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)發(fa)生(sheng)(sheng)位置(zhi)影(ying)響(xiang)分析可以看(kan)出(chu), 梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)結構(gou)(gou)對Mises應(ying)(ying)力(li)大(da)(da)小(xiao)及(ji)分布雖有(you)(you)一定(ding)的(de)(de)影(ying)響(xiang), 但影(ying)響(xiang)幅度(du)(du)(du)(du)(du)不大(da)(da)。但梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)結構(gou)(gou)能(neng)(neng)(neng)(neng)顯著減小(xiao)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)結合(he)(he)面(mian)(mian)上(shang)的(de)(de)熱(re)(re)應(ying)(ying)力(li)突變, 采用梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)中間(jian)層(ceng)(ceng)為8層(ceng)(ceng)的(de)(de)線性(xing)(xing)(xing)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)結構(gou)(gou)可以獲得較(jiao)好(hao)的(de)(de)特性(xing)(xing)(xing), 可以有(you)(you)效(xiao)(xiao)改善熱(re)(re)應(ying)(ying)力(li)引起的(de)(de)表面(mian)(mian)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)的(de)(de)脫落[12]。考慮(lv)到一般零(ling)(ling)件(jian)均在熱(re)(re)應(ying)(ying)力(li)和(he)(he)壓應(ying)(ying)力(li)綜合(he)(he)作(zuo)(zuo)用下工作(zuo)(zuo), 為使較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)離開(kai)耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)區(qu)(qu)及(ji)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng), 理論上(shang)應(ying)(ying)盡可能(neng)(neng)(neng)(neng)減少耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)和(he)(he)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)的(de)(de)厚度(du)(du)(du)(du)(du), 在文中特定(ding)載荷(he)工況下, 當耐(nai)(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)δ1=0.02 mm, 梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)δ2=0.08 mm時, 梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)結構(gou)(gou)對接(jie)(jie)觸(chu)(chu)區(qu)(qu)Mises應(ying)(ying)力(li)分布影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao), 較(jiao)大(da)(da)Mises應(ying)(ying)力(li)可以達到基本(ben)離開(kai)梯(ti)(ti)度(du)(du)(du)(du)(du)區(qu)(qu)進入基體。
4 結論
(1) 梯(ti)(ti)度結構(gou)對接(jie)觸區(qu)Mises應力(li)分布影(ying)響(xiang)不(bu)大(da), 但影(ying)響(xiang)較大(da)Mises應力(li)發(fa)生位置, 過厚的梯(ti)(ti)度層和強化層將(jiang)導致(zhi)較大(da)Mises應力(li)發(fa)生在梯(ti)(ti)度區(qu)或表(biao)面強化區(qu)。
(2) 梯(ti)度(du)結構(gou)指數(shu)變化能影響(xiang)較(jiao)大(da)Mises應(ying)力發生(sheng)位置。采用(yong)冪指數(shu)p=4梯(ti)度(du)結構(gou)能使得較(jiao)大(da)Mises應(ying)力離開梯(ti)度(du)區進入(ru)基體, 較(jiao)大(da)Mises應(ying)力發生(sheng)位置與接觸表面距離稍大(da)一些;采用(yong)8層梯(ti)度(du)中間(jian)層結構(gou)能降(jiang)低較(jiao)大(da)Mises應(ying)力。
(3) 為(wei)改善梯度(du)(du)結構(gou)的抗(kang)接(jie)觸(chu)疲(pi)勞性(xing)能, 應(ying)減小耐磨層(ceng)(ceng)和梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)的厚度(du)(du), 在文(wen)中(zhong)模型中(zhong), 采用0.02mm耐磨層(ceng)(ceng)、0.08 mm梯度(du)(du)層(ceng)(ceng)厚度(du)(du)、8層(ceng)(ceng)中(zhong)間層(ceng)(ceng)的線(xian)性(xing)梯度(du)(du)結構(gou), 能使得較(jiao)大Mises應(ying)力(li)適當避(bi)開梯度(du)(du)區, 從而較(jiao)好防止表面涂(tu)層(ceng)(ceng)脫落。
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作者簡介：張政科 (1992—) , 男, 碩士(shi)研(yan)究生, 研(yan)究方向為機械設計及理論.E-mail:1592339735@qq.com.
作者簡介：程西(xi)云 (1966—) , 男, 博(bo)士, 教授, 研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)為金屬(shu)材料表面改(gai)性(xing)及機電控制.E-mail:xycheng@stu.edu.cn.