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再制造表面涂层残余应力的压痕式检测及其机理

作　者: 李华一
导　师: 李国禄；王海斗
学　校: 河北工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 残余应力力学性能纳米压痕法数值模拟微弧等离子熔覆技术复合电刷镀技术
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

表面工程技术是再制造工程中最重要的关键技术之一，各种表面涂层因其良好的耐磨、耐蚀等性能也已应用在了生活的方方面面。然而由于涂层与基体之间各种性能参量的差异，以及制备工艺本身的特点等，造成了涂层和基体中残余应力的大量存在。这些存在于涂层中的残余应力会显著影响到涂层的结合强度、抗疲劳、耐蚀等性能，也是引起涂层表面裂纹、剥落的重要因素，因此对涂层的残余应力进行检测，对掌握残余应力的起因以及残余应力对涂层性能的影响都有很重要的意义。本文通过使用微弧等离子熔覆技术以及复合电刷镀技术分别在45#钢表面制备了Fe314和n-A1₂O₃/Ni两种面向再制造的涂层，并对涂层进行了不同温度下的退火处理;分别使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线应力测定仪和纳米压痕仪检测了两类涂层的表面形貌、相结构、表面应力以及纳米力学性能;重点使用纳米压痕仪对两类涂层的残余应力进行了压痕式测量，并详细研究了其测量机理和测量过程中特征参量的确定及影响因素;另外，使用有限兀分析的方法模拟了纳米压痕的过程，确定了材料的塑性性能并分析了压痕过程中的应力变化情况。结果表明微弧等离子熔覆Fe314涂层与复合电刷镀n-A1₂O₃/Ni涂层均属于凸起材料，特征参量（硬度及弹性模量）的确定不再适用经典的O&P方法。采用G&S方法计算特征参量后发现，参量值受到压痕过程中的凸起程度以及涂层内部残余应力的综合作用。使用纳米压痕仪结合S.Suresh模型与Yun-Hee Lee模型测量了未处理熔覆层、500℃退火后熔覆层以及复合电刷镀层在不同深度处的残余应力，并与X射线衍射法的测量结果进行了比较，结果表明压痕法与衍射法测得的残余应力具有相似的分布规律，而压痕法的结果则更为精确。使用有限兀分析模拟压痕过程，得到了固定深度下，两类涂层的真实的应力应变关系以及Mises等效应力的分布情况。本文分析结果表明，使用纳米压痕的方法进行残余应力的精确测量具有很高的可行性及广阔的发展前景。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 再制造工程概述  9-10
  1.2 涂层残余应力的产生及测量  10-14
    1.2.1 涂层中残余应力的产生  10-11
    1.2.2 涂层残余应力的测量方法  11-14
  1.3 纳米压痕技术概述  14-18
    1.3.1 纳米压痕系统的组成  14-16
    1.3.2 纳米压痕技术测量力学性能的基本原理  16-17
    1.3.3 纳米压痕技术的应用现状  17-18
  1.4 课题来源、研究背景和内容  18-20
    1.4.1 课题来源  18
    1.4.2 课题的研究背景  18-19
    1.4.3 课题的研究内容  19-20
第二章试验设备及试验方法  20-25
  2.1 试验材料  20
  2.2 微弧等离子熔覆设备  20-22
  2.3 复合电刷镀设备  22-23
  2.4 微观分析设备  23-25
    2.4.1 扫描电子显微镜( SEM)  23
    2.4.2 X射线衍射仪(XRD)  23
    2.4.3 X射线应力仪  23
    2.4.4 纳米压痕仪(Nano-indentation tester)  23-25
第三章再制造涂层的制备及表征  25-35
  3.1 前言  25
  3.2 微弧等离子熔覆技术  25-30
    3.2.1 微弧等离子熔覆Fe314涂层的制备  25-26
    3.2.2 微弧等离子熔覆Fe314涂层的组织结构  26-28
    3.2.3 微弧等离子熔覆Fe314涂层的力学性能  28-30
  3.3 复合电刷镀技术  30-33
    3.3.1 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层的制备  30
    3.3.2 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层的组织结构  30-32
    3.3.3 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层的力学性能  32-33
  3.4 本章小结  33-35
第四章纳米压痕法测量涂层的残余应力  35-64
  4.1 前言  35
  4.2 纳米压痕法测量涂层残余应力的理论模型  35-43
    4.2.1 S.SLiresh 理论模型  35-41
    4.2.2 YLm-Hee Lee 理论模型  41-43
  4.3 纳米压痕实验测量结果  43-61
    4.3.1 应力对照组涂层的制备及特征参量的确定  43-54
    4.3.2 微弧等离子熔覆Fe314涂层的残余应力  54-59
    4.3.3 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层的残余应力  59-61
  4.4 本章小结  61-64
第五章有限元分析模拟纳米压痕过程  64-79
  5.1 前言  64
  5.2 有限元分析法基础理论概述  64-68
  5.3 有限元模型的建立  68-72
    5.3.1 微弧等离子熔覆Fe314涂层有限元模型的建立  68-70
    5.3.2 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层有限元模型的建立  70-72
  5.4 有限元分析模拟结果  72-78
    5.4.1 微弧等离子熔覆Fe314涂层有限元分析结果  72-75
    5.4.2 复合电刷镀n-A1203/Ni涂层有限元分析结果  75-78
  5.5 本章小结  78-79
第六章结论  79-82
参考文献  82-86
攻读学位期间取得的成果  86-87
致谢  87

再制造表面涂层残余应力的压痕式检测及其机理

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