（机械制造及其自动化专业论文）钴基不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究.pdf

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涂层的变形规律与典型蠕变存在着类似点，同时又具备其自身的特点。 对梯度涂层试件微观组织和变形机理进行了初步分析，得出以下结论：梯 度涂层在冲击后碰撞表层组织有晶粒碎化现象，距表层越远组织变化越不明显。 梯度涂层试件在冲击后有形变硬化或软化交替重叠的现象，且仅发生在一定深 度上。其中指数梯度涂层的形变硬化软化现象最弱，说明指数梯度涂层抵抗塑性 变形的能力最强。 关键字：低应力多碰；梯度涂层；宏观累积塑性变形；形变模型； 作者：储呈嫒 指导老师：石世宏 钻基不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 r e s e a r c ho nt h ep l a s t i ca c c u m u l a t i o no f c o b a l t - - b a s e s t a i n l e s ss t e e lg r a d i e n tc o a t i n gu n d e rl o w s t r e s sr e p e a t e di m p a c t a b s t r a c t i ne n g i n e e f i n ga p p l i c a t i o n ，m a n yk e yc o m p o n e n t sc a ns t i l lb ef a i l u r ed u et ot h e m a c r o s c o p i ca c c u m u l a t e dp l a s t i cd e f o r m a t i o nw h i c hw o r ki nt h er e p e a t e di m p a c tl o a d a n dt h es t r e s si sf a rl e s st h a nt h em a t e r i a ly i e l dl i m i t t h i sk i n dl o a dw i l lb ec a l l e dl o w s t r e s sr e p e a t e di m p a c tl o a di nt h ep a p e r i ti sf o u n dt h a tt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h e m a t e r i a li sm a i n l ym a n i f e s t e di nc l o s e rt ot h es i t ef r o mt h ec o l l i s i o ns u r f a c e a n dt h e s t r a i nd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gd e p t hf r o mt h e s u r f a c e t h ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns t r a i na n dl a y e rd e e p i na d d i t i o n ，t h es o - c a l l e dg r a d i e n tm a t e r i a li sac o m p o s i t e m a t e r i a lt h a ta l l o w st w od i f f e r e n tp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a ls h o w e dac o n t i n u o u sc h a n g e f r o ms i d et os i d ea l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n s ot h a tt h ef u n c t i o no ft h eg r a d i e n t m a t e r i a la l s os h o w e da g r a d i e n t c o m b i n a t i o no f m a t e r i a l so fl o ws t r e s sr e p e a t e di m p a c t d e f o r m a t i o nl a wa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a d e dm a t e r i a l ，t h ea r t i c l ew a sp r e p a r e d b yt w os p e c i m e n so ft h ec o b a l tb a s e s t a i n l e s ss t e e ll i n e a rg r a d i e n tc o a t i n ga n di n d e x g r a d i e n tc o a t i n g t h e ns t u d yt h el a wo f i t sl o ws t r e s s r e p e a t e di m p a c tp l a s t i c d e f o r m a t i o na n dt h ee s t a b l i s h m e n to fad e f o r m a t i o nm o d e lo fc u m u l a t i v em a c r o s c o p i c p l a s t i cs t r a i n i nt h i sp a p e r , t h el o ws t r e s sr e p e a t e di m p a c tt e s t sw e r ei nt h es a m ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t h ep a p e rs e l e c t e dt h r e ek i n d so fs p e c i m e n s t h e yw e r e3 0 4s t a i n l e s ss t e e l ，i n s t a i n l e s ss t e e l 勰m a t r i xo fl i n e a rg r a d i e n tc o a t i n ga n di n d e xg r a d i e n tc o a t i n g r e s e a r c h m a t e r i a lf a t i g u es t r a i na n dc u m u l a t i v ed e f o r m a t i o nl a wo ft h ea b o v em a t e r i a l s ，a n dt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o no ft h ea l ls p e c i m e n si s m a i n l y m a n i f e s t e di nc l o s e rt ot h es i t ef r o mt h ec o l l i s i o ns u r f a c e a n dt h es t r a i nd e c r e a s e sw i m i n c r e a s i n gd e p t hf r o mt h es u r f a c e v 讯r h e nt h ed e p t hr e a c hac e r t a i nn u m b e r , t h es p e c i m e n s w i l ln ol o n g e rb ed e f o r m e d i nt h ei n i t i a ls t a g eo ft h ei m p a c t ，s p e c i m e ns t r a i ni st h e b i g g e s t t h e nt h es t r a i nw i l lb eg e t t i n gs m a l l e ra n ds m a l l e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e 钴基不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究a b s t r a c t n u m b e ro ft h ei m p a c t f i n a l l y , t h es t r a i nt e n dt ob es t a b l e ，t h a tm e a n st h es p e c i m e n sw i l l n ol o n g e rb ed e f o r m e d i n d e xg r a d i e n tc o a t e ds p e c i m e nf o rr e s i s t a n c et ol o ws t r e s s r e p e a t e di m p a c tp l a s t i cd e f o r m a t i o ni sm o r ee f f e c t i v et h a ns t a i n l e s ss t e e la n dt h el i n e a r g r a d i e n tc o a t i n g i t st o t a lc u m u l a t i v ed e f o r m a t i o ni so n l ya b o u t1 3o f3 0 4s t a i n l e s ss t e e l s p e c i m e n s u s i n gt h er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d ，t h ed e f o r m a t i o nm o d e l so fg r a d i e n t c o a t e ds p e c i m e nw e r ee s t a b l i s h e dw h i c hs h o w e dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h es t r a i no f t h el o ws t r e s sr e p e a t e di m p a c t ，t h ei m p a c tt i m e sa n dt h ed e p t h t h ed e f o r m a t i o nl a w o fg r a d i e n tc o a t i n gi ss i m i l a rt ot h et y p i c a lc r e e p ，b u ti ta l s oh a st h et h ec h a r a c t e r i s t i c so f i t s o w n t h ep a p e ra l s oh a sap r e l i m i n a r ya n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r ea n dd e f o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h eg r a d i e n tc o a t i n g ，d r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：( 芏) a f t e rt h el o w s t r e s s r e p e a t e di m p a c t ，n e a r t h es u r f a c eo ft h e g r a d i e n tc o a t i n gh a s t h eg r a i n f r a g m e n t a t i o np h e n o m e n o n a n dt h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g ei sn o tm o r eo b v i o u sw i t h w i t hi n c r e a s i n gd e p t hf r o mt h es u r f a c e t h eg r a d i e n tc o a t i n gh a st h ed e f o r m a t i o n h a r d e n i n go rs o f t e n i n gp h e n o m e n o na f t e rt h er e p e a t e di m p a c t a n dt h i sp h e n o m e n o n o n l yo c c u r r e di n ac e r t a i nd e p t h i n d e xg r a d i e n tc o a t i n gd e f o r m a t i o nh a r d e n i n go r s o f t e n i n gp h e n o m e n o ni st h ew e a k e s t ，s ot h ei n d e xg r a d i e n tc o a t i n gh a st h es t r o n g e s t a b i l i t yt or e s i s t a n c ep l a s t i cd e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：l o ws t r e s sr e p e a t e di m p a c t ；g r a d i e n tc o a t i n g ；m a c r oc u m u l a t i v ep l a s t i c d e f o r m a t i o n ；d e f o r m a t i o nm o d e l w r i t t e n b y ：c h uc h e n g y u a n s u p e r v i s e db y - s h is h i h o n g m 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 低应力多碰国内外研究概况。2 1 3 功能梯度材料的概念及特点3 1 3 1 功能梯度材料的概念与分类3 1 3 2 功能梯度材料的特点。3 1 3 3 功能梯度材料的制备方法5 1 4 本课题组研究进展6 1 4 1 低应力多碰载荷的失效形式6 1 4 2 低应力多碰宏观塑性变形规律及特点6 1 4 3 低应力多碰变形的微观分析7 1 5 本文的主要研究内容8 第二章低应力冲击变形理论基础9 2 1 低应力多碰载荷的定义及特点9 2 1 1 定义9 2 1 2 特点9 2 2 应力波的现象和概念1 0 2 2 1 应力波的概念及现象1 0 2 2 2 加载波与卸载波1 1 2 3 冲击载荷下应力波的传播1 1 2 3 1 匀质材料中的应力波传播特点1 1 2 3 2 涂层材料中的应力波传播特点1 3 2 4 低应力多碰其他变形理论1 6 2 4 1 蠕变变形理论16 2 4 2 棘轮效应1 6 2 5 小结1 8 第三章梯度涂层制备与多碰试验设计1 9 3 1 梯度涂层的制备1 9 3 1 1 试件材料的选取1 9 3 1 2 梯度涂层结构的设计2 0 3 1 3 制备方法的选择2l 3 1 4 梯度涂层的制备2 1 3 1 5 梯度涂层的微观组织及能谱分析2 2 3 2 梯度涂层低应力多碰试验方案设计。2 7 3 2 1 冲击试样的准备2 7 3 2 2 低应力多碰试验方案设计2 8 3 3 实验设备3 0 3 4 小结3 0 第四章低应力多碰试验与分析3 1 4 1 低应力多碰试验3 1 4 1 1 试验条件31 4 1 2 试验结果3 1 4 2 试验数据的处理3 3 4 2 13 0 4 不锈钢试件数据分析3 4 4 2 2 线性梯度涂层试件数据分析3 7 4 2 3 指数梯度涂层试件数据分析4 1 4 3 试验结果比较分析。4 4 4 4 梯度涂层的宏观塑性变形特点4 6 4 5 月、结4 7 第五章梯度涂层低应力多碰形变模型及微观分析4 8 5 1 梯度涂层低应力多碰形变模型的建立4 8 5 1 1 模型的假设4 8 5 1 2 线性梯度涂层的形变模型4 8 5 1 3 指数梯度涂层的形变模型5 l 5 2 梯度涂层的多碰蠕变5 5 5 2 1 蠕变与多碰蠕变5 5 5 2 2 梯度涂层的多碰蠕变规律5 5 5 3 梯度涂层的循环硬化( 软化) 现象5 7 5 3 1 循环硬化和循环软化概念5 7 5 3 2 循环硬化的不同阶段5 7 5 3 3 梯度涂层的循环硬化( 软化) 及特点5 7 5 4 冲击前后试件微观组织比较6 0 5 5 小结6 3 第六章结论与展望6 5 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 参考文献6 7 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文7 1 致谢7 2 钻摹，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 工程应用中，发现在多冲碰撞的工况下，许多关键零构件即使在应力远小于 材料的屈服极限时，仍会发生宏观塑性累积变形而最终失效。如发动机塞、进排 气门，模具凹凸模，各类控制阀、泵、凿岩机活塞等这些零部件就因承受单纯多 次冲击碰撞或者以简谐载荷与冲击载荷的叠加为特点的载荷的作用而失效，其最 终的失效形式一般为开裂、镦粗、凹陷、表层剥落、表面蚀坑、崩落、磨损等u j 。 这些零构件一般都是机器的关键件，除其本身价值昂贵外，其失效后由于检修、 停产而带来的间接损失往往更为巨大。因此，研究低应力多碰载荷下引起的变形 失效机理和规律，寻求有效的方法来强化或修复此类零部件的表面，从而提高其 使用寿命、降低生产成本、提高系统的使用有效性和安全性，具有十分重要的意 义。 对于这种由于低应力多碰载荷而引起的失效目前的解决方法一般为：改变这 些零构件的材料，选用耐冲性能高的一些匀质材料或者采用复合材料的方法在零 件原有材料基础上添加涂层从而提高耐冲性能。而这两种方法都存在一定的缺陷： 匀质材料虽然耐冲性能提高了，可同时其价格也提高了，那生产成本必然也提高 了。而添加涂层这种方法，由于基体与涂层的物理及力学性能上存在一定差异， 这将会造成界面应力问题，可能会造成涂层开裂或剥落从而导致零件失效。 根据已有试验研究结果发现，材料在低应力多碰载荷下的宏观塑性变形不是 均匀分布于材料内部的。其塑性变形具有趋表效应，即材料表层的应变率最大， 也就是说材料在低应力多碰载荷下的塑性变形主要集中表现在离碰撞面较近的部 位，且随着距表层深度的增加而减小，当深度到达一定值时，材料将不再发生塑 性变形。本课题组已分别建立了匀质材料和激光熔覆涂层材料塑性变形曲线的数 学模型，发现材料的应变与层深之间呈指数函数的关系，即应变随着层数按指数 函数的关系进行递减。 当今随着科技的飞速发展，对材料的性能要求越来越高，各国学者在长期研 究传统材料的基础上，陆续提出了许多新概念，其中功能梯度材料就是其中之一。 功能梯度材料是指采用材料复合技术使两种不同性能的材料沿厚度方向由一侧向 另一侧呈连续变化，从而使材料的功能也呈梯度变化的一种新型材料【2 羽。考虑到 第一章绪论 钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 低应力多碰载荷下材料塑性变形的特点和激光熔覆涂层材料由于结合面处的突变 界面而存在的缺点，本文利用激光熔覆技术制备钻基3 0 4 不锈钢梯度材料来强化 此类零件，通过两种粉末在试件中以连续或逐级的梯度分布，从而抑制两种材料 在界面处的应力集中，提高不同材料之间的结合强度。 1 2 低应力多碰国内外研究概况 关于多次冲击载荷影响的研究迄今为止已有多年的历史，多次冲击载荷中又 存在多碰载荷与多冲载荷两种载荷，两者最主要差别在于加载工件与被加载工件 之间存不存在脱离相对运动的过程，多冲载荷不存在而多碰载荷存在脱离的过程。 其中，对于多冲载荷影响的研究相对较多且久远，早在上个世纪初f t 斯坦顿 ( s t a n t o n ) 和l 拜尔思托( b a i r s t o w ) 就曾较深入的研究了化学成分对铁素体珠 光体钢冲击破断周次的影响【6 】，并认为进行只能引起极小塑性变形的小能量多冲试 验，可以解决材料在此工况下对冲击断裂的抗力问题。到上世纪中叶后国内外对 多次冲击问题的研究比较活跃，其中l a y l a n d f 7 1 对1 5 种典型结构钢在多冲载荷下的 行为进行了考查，给出了每种材料的冲击能量a 和破断周次n 间的关系曲线。而 国内也从上个世纪5 0 年代相继开始有人对多次冲击进行系统的研究，其中周惠久、 黄明志等人1 8 - 9 1 通过对多冲抗力的实验研究，得到了冲击能量a 和破断周次n 的 关系曲线，奠定了多冲疲劳理论基础。这一时期的研究主要集中在材料承受小能 量多次冲击载荷时其整体的破断规律。2 0 世纪6 0 年代末便开始了主要针对钢材的 往复多冲磨损研究。其中，w e l l i n g 、b r e e k e l 和e n g a l 等人相继对以钢为试验材料 的冲击磨损进行了大量研究，探讨了基于实验的冲击磨损理论，得出了冲击载荷 下的磨损量公式 1 0 - 1 2 l 。人们注意到在多次冲击载荷下服役的零件，除了疲劳断裂，更 为普遍的失效形式是零件表面的疲劳磨损。8 0 年代初始，零件在多冲载荷下的行 为研究逐渐转入微观分析。文献 1 3 】结合应力分析，讨论了在多冲弯曲试验中的体 积效应和缺口效应问题，发现在静疲劳试验中，虽然也存在体积效应，但是其影 响与多冲载荷下完全相反，表现为试样的疲劳寿命随试样体积的增加而降低。国 内部分学者从力学的角度出发，对金属材料在冲击载荷下的层裂强度进行研究 1 4 - 1 5 。另外，还有许多学者从摩擦磨损的角度，对多次冲击下的滑动摩擦磨粒磨 损进行研究1 6 之2 】。 随着多冲问题的发现并受到人们重视的情况下，人们利用各种手段来提高零 件的耐冲性能。由于表面工程技术的迅速发展，人们更多的采用涂层技术( 利用其 2 钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究第一章绪论 高硬度、高强度性能) 来提高零件的表面强度，以提高其抗磨损性2 3 。2 8 1 。也有学者尝 试采用表面强化涂层来抵抗多碰载荷2 9 - 3 2 1 。邵天敏捌等对等离子喷涂层进行了冲 击试验研究，并测试了在不同冲击能量下涂层基体系的冲击响应频谱；李学敏 3 0 l 对目前工程上使用较多的热喷涂薄膜进行了多碰试验，观察到冲击载荷下热喷涂涂 层的一些的塑性变形特点。对于材料在低应力多碰载荷下形变的研究相对甚少， 低应力多碰形变与以往的冲击形变相比表现出一些新的特点。其中文献 3 3 】发现多 碰应力下材料的变形主要集中于材料的表层部分，且在材料表层部分出现晶粒碎 化的现象，对于激光熔覆涂层试件具有一定的抵抗多碰变形作用。目前对材料的 低应力多碰变形主要集中于研究其失效形式及通过试验观察宏观变形和微观组织 的变化规律进行变形机理的假说【3 4 1 。因此，研究低应力多碰形变的特有规律及变 形机理，对于低应力多碰载荷下零件的失效问题解决及此类零件的强化措施有重 要的理论基础和应用价值。 1 3 功能梯度材料的概念及特点 1 3 1 功能梯度材料的概念与分类 所谓功能梯度材料是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先 进的材料复合技术，使中间的组成和结构连续呈现梯度变化，内部不存在明显的 界面，从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料例。 功能梯度材料按照材料组成的变化可分为三类：梯度功能涂覆型( 即在基体 材料上形成渐变的涂层) 、梯度功能连接型( 粘结在两个基体间的接缝组成梯度变 化) 和梯度功能材料本身( 组成从一侧到另一侧渐变的结构材料) 。 1 3 2 功能梯度材料的特点 众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集 中，无论该应力是内部的还是j b a n 的。而如果从一种材料过渡到另一种材料是逐 步进行的，这些应力集中就会大幅度的降低，从而使材料性能得到显著改善。功 能梯度材料的特性可总结为以下几点 3 5 1 ： 1 ) 热膨胀系数不匹配的两种材料的界面热应力得到平稳过渡，界面处的应力 集中和边界奇异性效应可以得到有效的抑制； 2 ) 通过控制梯度层的几何形状和层内组成梯度，可以合理的控制热应力数值 的大小、最大热应力的位置、塑性流动、裂纹的产生与扩展； 3 ) 在给定的热机械载荷作用下，塑性变形和断裂的起始时间得以延迟，裂纹 3 第一章绪论钴基不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 通过界面生长的驱动力大大降低； 4 ) 与突变的界面相比，通过在成分中引入连续的或逐级的梯度可以提高不同 材料( 如金属和陶瓷) 之间的结合强度； 5 ) 可以在延展性的金属基体上沉积厚的脆性陶瓷涂层，涂层与基体之间的界 面结合强度由于组成梯度的引入得到提高。 见表1 1 闭。从表i - i 中可以看出三种材料在设计思想、组织结构、结合方式、 微观组织、宏观组织和功能上的区别。 表i i 功能梯度材料与匀质材料和复合材料的区别 材料功能梯度材料匀质材料复合材料 分子、原子级水平材料优点的相互 设计思想具有特殊功能 合金化复合 组织结构 1 0 n m - 1 0 m m 0 i n t o - 0 1 l l m0 1 l l m - l m 分子间力化学键， 结合方式分子间力化学键砌理键 物理键 微观组织匀质，非匀质匀质，j 匀质非匀质 宏观组织非匀质匀质匀质 功能梯度化一致一致 图1 i 3 7 1 给出了功能梯度材料与匀质材料和复合材料的结构模型对比，可以看 出它们的结构是完全不同的。 弹性率 警热率 热彩胀系数 縻震震 a ) 匀质材料b ) 复合材料c ) 梯度材料 注：o 表示物质a ( 如陶瓷) 、表示物质b ( 如金属) 图1 1 功能梯度材料与匀质材料和复合材料的结构模型对比 4 钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究第一章绪论 1 3 3 功能梯度材料的制备方法 功能梯度材料的概念是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1 9 8 7 年为了解 决航天飞机发动机燃烧室器壁问题而提出的【3 引。这种燃烧室器壁一侧承受2 0 0 0 c 以上的高温，另一侧承受低温液氢冷却，传统的匀质材料已经无法满足要求，若 采用多种复合材料，由于各相的热膨胀系数的差异，会在材料内部产生较大的热 应力，致使涂层在较小冲击力下即可剥落。梯度材料正是为适应这种需要而提出 的一种全新的非均质复合材料。此后，功能梯度材料的研究在各国迅速展开，二 十多年来，国内外在功能梯度材料的材料设计、材料制备和材料的特性评价方面 取得了令人瞩目的成果。 表1 2 梯度材料的制备方法的工艺特点及其局限性 种类 工艺名称工艺特点局限性 粉末堆积工艺简单，设备要求低，易于制备大块梯度材料孔隙率高，后续 与粉末材料，可实现制动化控制处理下艺复杂 预制块 离心堆积适于制备圆柱形、筒状梯度材料，设备简单，后续处理工艺复杂 相关的可实现自动化控制 制备技 粉末反应适于制备生成热大的化合物，耗能少，设备产品为疏松开裂状， 术 制备技术简单，生产率高，成本低孔隙率高，机械性能 低 等离子喷可方便地控制粉末的成分组成，沉积率高，产品孔隙率高，层间 涂法易于制备大面积块材，工艺简单易行，可实结合力小，易剥落， 现制动化控制机械性能低 与涂层气相沉积主要用于制备梯度材料薄膜难以制备大厚度的块 和薄膜 法材，对设备要求较高， 相关的 合成速度低 制备技 激光熔覆热量输入小，涂层冷却快，可与基体实现冶对设备要求较高，所 术 法金结合，工艺可实现制动化控制得产品存在裂纹和孔 隙等缺陷 电沉积法设备简单，制造成本低，试用材料广泛产品强度低，无法制 备大块材料，生产效 率低 离心铸造设备简单，生产效率高，成本低廉，可制备不能用于制备高熔点 与熔体出高致密度、大尺寸的梯度材料的金属和陶瓷系材料 相关的熔浸工艺简单，设备要求低，生成的材料少，致 制备技密化程度高 术 喷射沉积 工艺设备简单，易于制备人块板材，管材，产品孔隙率较高，制 生产效率高，材料组织细小，性能优越造成本高 材料制备是功能梯度材料研究中的核心，制备不出性能良好且满足形状和结 构的功能梯度材料，功能梯度材料的真正实用化就无从谈起。制备功能梯度材料 5 第一章绪论钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 的工艺关键在于如何使材料组成和组织等按设计要求形成梯度分布。目前主要的 制备方法主要有：粉末冶金法、自蔓延高温合成法、离心铸造法、等离子喷涂法、 气相沉积法和激光熔覆法。各制备方法的特点见表1 - 2 3 9 1 。 其中激光熔覆法是采用高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、 与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺。其优点可总结为：( 1 ) 可通过混合不同 合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合涂层；( 2 ) 由于快速的加热和 冷却过程，激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其它工艺；( 3 ) 激 光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且对基体 的热影响甚微；( 4 ) 属于无接触型处理，便于自动化，实现柔性h h t t 4 0 l 。 1 4 本课题组研究进展 课题组已对多组不同工况，不同材质的材料进行了多冲试验，主要从材料在 低应力多碰载荷下的失效形式，宏观塑性变形规律特点，微观机理等方面进行研 究。 1 4 1 低应力多碰载荷的失效形式 低应力多碰载荷是指碰撞面上的力和能量远小于材料的屈服极限，且两零件 的相对运动垂直于碰撞面。碰撞面形状有平面、环平面、环锥面等。观察于多冲 碰撞载荷下服役的零件，发现其失效特点一般具有：一是表面( 表层) 特征，即 失效一般从零件的表面开始，且大都局限在表面( 表层) 内扩展；二是累积损伤 特征，即无论是断裂、形变或是磨损，都是一个逐步积累的过程。一般来说多冲 碰撞载荷下的失效形式可归纳为：开裂、镦粗、凹陷、表层剥落、表面蚀坑、崩 落和磨损等。 对于激光熔覆涂层试件其涂层和基体在热膨胀系数、热传导系数、弹性模量 及强度、韧性等物理性能和力学性能上的巨大差异，会造成过高界面应力而引起 开裂和剥落现象。另外，虽然涂层对抵抗多冲下的塑性变形有一定的作用，但由 于涂层的硬度高于基体，在低应力多碰载荷下，垂直碰撞载荷通过涂层作用在基 体上时，也会导致基体下凹。 1 4 2 低应力多碰宏观塑性变形规律及特点 ( 1 ) 多碰载荷下的零件塑性变形具有“趋表效应”。多冲试验中，发现不论匀 质试件还是涂层试件，其塑性变形都具有趋表效应，即试件的变形基本集中表现 在离碰撞面较近的部位，而造成表层的应变最大，且随着距表层深度的增加，试 6 钴基不锈钢梯度涂层的低戍力多碰塑性变形研究第一章绪论 件应变越来越小，直至一定深度不再发生变形。为克服低应力多冲塑性变形的这 种特点，在普通材料表面激光熔覆一层屈服极限较高、形变率低的材料，对于提 高零件的耐冲性能有一定的作用。根据试验结果，也证实在同等冲击条件的涂层 试件相对于匀质试件变形要小的多。 ( 2 ) 多碰载荷下塑性变形速率随碰撞次数的增加而减小。材料在冲击初始时 期，其塑性变形率都较大，随着碰撞次数的增加，塑性变形速率不断降低并迅速 衰减。当碰撞次数达到一定值( 匀质试件1 2 2 5 万次，激光涂层试件6 1 2 万次) 时，塑性变形速率趋于零，累积变形量到达一恒定值，即试件进入稳定状态。 ( 3 ) 多碰载荷下的试件会发生循环硬化( 软化) 现象。循环硬化( 软化) 是 指在等应变( 或等应力) 控制的情况下，应力( 或应变) 随循环的增加而增加( 或 减小) ，然后达到稳定的现象。在多碰载荷作用下，对冲击前后的试件进行硬度值 的比较，发现试件的硬度会随着塑性形变的同时发生变化，且硬化规律符合趋表 效应，即表层附近的前后硬度差值较大，随着距表层深度的增加硬度差值越来越 小。另外，匀质材料试件的硬度差比涂层试件的试件的硬度差大，这也从另一方 面说明了激光涂层对抵抗应力多冲塑性变形有积极作用【4 。 1 4 3 低应力多碰变形的微观分析 对冲击前后试件进行s e m 和金相组织观察，发现试件表层组织有扭曲变形的 现象，其变形表现在晶粒的碎化上，其表层和次表层的碎化现象较明显，底部组 织变化不大【4 2 1 。其组织变形的特点可归纳为：( 1 ) 冲击后试件表层和次表层晶粒 有明显的变形，且晶粒沿约3 0 0 4 5 。的方向进行变形：( 2 ) 试件表层组织的晶界有 明显的破坏现象，晶粒大小在冲击前后发生明显变化，里碎化现象；( 3 ) 底部组 织基本不发生变形。 对于出现这种组织变化，课题组利用一些变形理论推测低应力多碰载荷变形 的规律。( 1 ) 晶粒碎化效应。在冲击载荷下，塑性应变主要集中在试件的表层和 亚表层，从而位错逐渐被激活，形成滑移带而在扩展过程中遇到晶界等阻碍，由 于这种阻碍作用，位错在障碍处塞积并产生应力集中，从而最终促使晶粒发生剪 切碎化。( 2 ) 能动理论。冲击载荷在试件中是以应力波的形式进行传播的，应力 波传播的能量是由应变位能和运动质点的动能组成的 4 3 】。在冲击过程中，外力所 施加的能量一部分转化为材料内部质点运动动能，外力离开后质点仍在作偏离其 平衡位置的振动。当晶体中存在位错，一般低应力情况下不足以使位错启动产生 7 第一章绪论钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究 滑移。但在低应力多碰情况下，振动的质点在某一时刻有可能处在势能山的半坡 上，下次冲击的能量输入就可能将质点推过能峰，使位错向前移动，晶体开始滑 移，宏观上则表现为塑性变形嗍。由于实际材料中应变能和动能的传递由表及里 衰减，所以对同种材料而言，越靠近表层，所吸收能量越多，变形也就越大。 1 5 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容为利用激光熔覆的方法在3 0 4 不锈钢基体上制备出抗多 碰形变的梯度材料，并进行冲击试验，分析其变形规律。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 制备梯度涂层：分析匀质材料与单层激光涂层材料在低应力多碰载荷下 的塑性变形规律及机理，从而设计梯度涂层材料的组元及结构。并利用激光熔覆 的方法制备出所设计的梯度涂层试件。 ( 2 ) 低应力多碰试验：准备多组低应力多碰试验的试样，确定试验方法及试 验参数。利用专门研制的多碰疲劳试验机对试样进行低应力多碰试验，同时进行 试件变形数据的采集。 ( 3 ) 试验数据处理及分析：利用坐标网格法对试件冲击变形前后的尺寸数据 进行处理，分析总结试件在多碰载荷下的累积变形量、平均应变率、层深与碰撞 次数之间的规律，并建立其塑性变形的形变模型。 ( 4 ) 微观组织及机理分析：观察梯度涂层试件在冲击前后的物理性能及组织 结构变化，并分析其变形机理。 8 钴基，不锈钢梯度涂层的低应力多碰塑性变形研究第二章低应力冲击变形理论基础 第二章低应力冲击变形理论基础 材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，称为变形。外力去除后，随之消失 的变形为弹性变形，剩余的( 即永久性的) 变形为塑性变形。由于冲击载荷与静 载荷的加载速率的差别，从而也使得材料在冲击载荷作用下带来了不同的力学性 能。冲击载荷的特征就是在材料中以冲击应力波的形式传播。对于低应力多碰载 荷下的材料变形，本文利用应力波的传播理论对此变形进行分析研究。 2 1 低应力多碰载荷的定义及特点 2 1 1 定义 一般认为当载荷作用时间小于被冲击体的自振周期或小于其一半左右时就称 为冲击载荷4 5 1 。工程中，由两个作相对运动的零构件发生碰撞而产生的载荷大多 可归为冲击载荷。而本文研究的低应力多碰碰撞载荷与一般的冲击载荷存在一定 的差异，因此，本文对于低应力多碰碰撞载荷给出以下定义： ( 1 )两工件表面作反复接触与脱离的相对运动。 ( 2 ) 两对相互碰撞零件的相对运动垂直于碰撞表面，或与碰撞表面成某一 角度但以法向冲击为主。 ( 3 ) 冲击时的碰撞应力和碰撞能量远小于材料的屈服极限和冲击韧性( 大 约为材料屈服极限的1 1 0 1 3 ) 。 2 1 2 特点 工程中许多机器零件和构件是在低应力多碰载荷下工作的，人们注意到在此 种工况下的零件，除了疲劳断裂，