對(duì)一種涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定方法的有限元評(píng)價(jià)

1、對(duì)一種涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定方法的有限元評(píng)價(jià)         0前言本文采用有限單元法對(duì)一種廣為采用的涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算。通過對(duì)涂層/基體交界面上的應(yīng)力分布的分析指出了該試驗(yàn)方法的不合理性。給出了一種改進(jìn)的試驗(yàn)方法，并驗(yàn)證了其有效性。    1、有限元方法及模型    1.1有限元公式的描述在有限元計(jì)算中采用了糾正的拉格郎日描述下的大變形有限元列式，對(duì)材料的物性描述采用了超彈性塑性本構(gòu)關(guān)系4，對(duì)增量問題采用了隱式求解方法。采用罰函數(shù)法在有限元程序中

2、實(shí)現(xiàn)了交界面之間的接觸算法。下面對(duì)接觸問題的有限元解法給予描述。設(shè)C是交界面兩側(cè)材料的接觸邊界。在局部坐標(biāo)系n-t中，接觸力矢量的分量分別為,位移矢量的分量分別為,。其中上標(biāo)a和b分別表示材料A和B。下標(biāo)n和t分別是材料B上接觸點(diǎn)處的單位外法線和切線方向。若摩擦系數(shù)為f，那么單側(cè)接觸條件可表示為(在C上)(1)且(2)    n，且s(粘著接觸)    (2-1)    (滑動(dòng)接觸)    (2-2)    (開式接觸)  &

3、#160; (2-3)式中g(shù)n接觸面之間的初始間隙t切向相對(duì)位移n法向張應(yīng)力抗拉結(jié)合強(qiáng)度s切應(yīng)力(3)    (當(dāng)n，且s時(shí))    (4)式中kn和Kt分別為法向和切向懲罰因子(kn0，kt0)，即線彈簧的剛度。這里對(duì)摩擦采用了庫侖摩擦定律。1.2涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)的有限元模型如圖1所示，在直徑d=36mm的低碳鋼圓柱形試件上加工有深度0.5mm的臺(tái)階，并在臺(tái)階上沉積厚度為、寬度為b的涂層(本文中為碳鋼)。將該涂層體系置于一個(gè)剛性支撐模上，使涂層的底側(cè)面與支撐模頂面之間形成穩(wěn)定的軸對(duì)稱支撐。在圓柱體的頂面上準(zhǔn)靜態(tài)地施加軸向壓力載荷F，假定在破壞前所測(cè)得的載荷最大值為F0，那么涂層的剪切結(jié)合強(qiáng)度為    (5)圖1試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖及坐標(biāo)系這一試驗(yàn)和計(jì)算看似很簡單，但由式(5)看出，顯然認(rèn)為涂層/基體交界面上的切應(yīng)力分布是均勻的，且認(rèn)為涂層的破壞是由于界面之間的純剪切所引起的。正如下面將要證實(shí)的那樣，這種假定是不合理的。一方面由剪應(yīng)力互等定理5可知，如不考慮涂層與支撐面之間的摩擦力，那么交界面上下兩端的切應(yīng)力必然為零。這說明交界面上的切應(yīng)力分布是非單調(diào)的。另外，由于彎曲作用的存在，交界面上并不