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前言作為表面工程技術(shù)中的耐磨涂層體系，涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層體系摩擦學(xué)性能的重要指標(biāo)，它將直接影響涂層體系對(duì)剝離磨損的抗力。這使得在實(shí)際中對(duì)涂層體系結(jié)合強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)顯得尤為重要。由于問(wèn)題的復(fù)雜性，到目前為止還沒(méi)有一種可以用來(lái)直接從涂層材料及涂層沉積工藝中導(dǎo)出涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度的通用理論模型。實(shí)際上，目前通行的方法是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定。為了使測(cè)定結(jié)果更接近實(shí)際，應(yīng)設(shè)計(jì)出逼近實(shí)際情況的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行合理的簡(jiǎn)化以建立正確的計(jì)算公式。但是，這在實(shí)際中并不總是

2、那么容易做到。原因主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一是所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂赡懿缓侠?，不能正確地代表所研究的實(shí)際問(wèn)題；二是對(duì)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)體系的力學(xué)響應(yīng)不十分清楚，從而采用了不恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型。比如，最近W.Han 和E.F.Rybicki已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)并被普遍采用的用來(lái)測(cè)定涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試件結(jié)構(gòu)的不合理性而造成的誤差是不可忽略的。W.Han等還對(duì)試件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了修改，并驗(yàn)證了改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)際上，其他的一些涂層力學(xué)性能測(cè)定方法也值得進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以確定它們是否會(huì)導(dǎo)致任何形式的誤差，或?qū)ζ溥M(jìn)行改進(jìn)和完善。本文采用有限單元法對(duì)一種廣為采用的涂層剪切

3、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(guò)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(wèn)題采用了隱式求解方法。采用罰函數(shù)法在有限元程序中實(shí)現(xiàn)了交界面之間的接觸算法。下面對(duì)接觸問(wèn)題的有限元解法給予描述。    1.1.1單側(cè)接觸條件設(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，

4、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(kāi)式接觸)    (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)力剪切結(jié)合強(qiáng)度 

5、;   1.1.2接觸條件的罰函數(shù)表達(dá)  接觸條件中的不等式約束給問(wèn)題的求解帶來(lái)了困難，為此以分布在接觸面之間的假想的法向和切向線性彈簧分別近似法向非穿透條件和粘著條件，則得到接觸條件的罰函數(shù)表示(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(kù)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(jiǎn)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(shuō)明交界