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激光涂层对i c r i 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 摘要 摘要 在工程领域的实际应用中发现：在多冲载荷下，即使冲击应力仅为材料屈服强度 的1 1 0 - - 1 3 时，材料仍然会发生宏观累积塑性变形而导致失效。很多研究表明，零件 承受多冲载荷失效的多种起因都可以归结为材料发生了累积疲劳变形。本文针对这一 现象，选取了化工泵、阀类多碰零件常用的不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 和高强度铁基自熔合 金w f 3 1 2 材料试件进行了多冲疲劳试验，研究了不同涂层厚度的1 c r l 8 n i 9 t i 试件 的累积疲劳变形规律。 利用自制的多冲试验机，选取了4 组不同厚度涂层试件进行多冲形变研究。为了 便于比较研究，对这4 组试件在相同的多冲载荷下进行了试验：冲击应力峰值为 8 0 m p a ( 此值约为涂层材料静压屈服强度的1 1 0 ，基体材料静屈服强度的1 3 1 4 ) ， 冲击行程为2 0 m m ，冲击频率为4 h z 。做出了4 组试件的平均应变率、累计应变、层 深和冲击次数间的关系曲线，及对多冲后涂层试件的金相组织进行了对比研究。试验 表明：1 组1 c r l 8 n i 9 t i 试件和经激光涂层强化后的3 组1 c r l 8 n i 9 t i 涂层试件均发生 了明显的累积疲劳变形。同时得出以下结论：( 1 ) 试件在低应力多冲载荷作用下，随 冲击次数和层深增加，应变率呈指数态衰减，直至为零，其变形规律具有“趋表效应”。 ( 2 ) 试件表层的变形量、应变率、硬度变化最大，随着层深的增加，呈梯度性迅速 衰减。( 3 ) 在相同的多冲条件下，不同厚度涂层试件的疲劳变形总深度不同、总应变 不同、形变硬化程度、形变硬化深度不同。( 4 ) 试件多冲后表层组织模糊混乱，晶粒 出现扭曲变形的现象，随层深的增加逐步减轻，不同厚度涂层试件的晶粒晶界碎化程 度不同。 试验结果表明：材料在低应力多冲载荷下的变形是一种具有特殊机理的、宏观可 测的疲劳形变现象，有别于一般意义上的疲劳失效；在一定范围内，激光涂层可以有 效地提高材料抵抗多冲疲劳变形的能力，但一味地增大涂层厚度并不能显著提高材料 抵抗多冲疲劳变形的能力。 关键词：低应力多冲；激光涂层；涂层厚度；累积疲劳变形；趋表效应 作者：黄晓华 指导老师：傅戈雁 l 摘要 激光涂层对! c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 s t u d yo nt h ee f f e c to f t h ed e f o r m a t i o no f l a y e rc l a d d i n g c o a to n1c r18 n i 9 t iu n d e rl o ws t r e s sr e p e a ti m p a c t a b s t r a c t i np r o j e e lm a c r o s c o p i cc u m u l a t ed e f o r m a t i o ns t i l lc a nh a p p e nt om a t e r i a l sw h i c h w o r ku n d e rr e p e a t e di m p a c tl o a de v e nt h o u g ht h ei m p a c ts t r e s si sa b o u t1 1 0 - 1 3o f m a t e r i a l s y i e l ds t r e n g t h m a n ys t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ec a u s e so f t h ep a r tf a i l u r eu n d e r r e p e a t e di m p a c tb o i ld o w nt ot h ec u m u l a t ef a t i g u ed e f o r m a t i o no ft h em a t e r i a l s a st ot h i s p h e n o m e n o n ，t h i sp a p e rc h o o s e s1c r l8 n i 9 t iw h i c ha l w a y su s e di nt h ef i e l d so fc h e m i c a l p u m pa n dv a l v e sa n dt h eh i 曲- s t r e n g t hs e l f - f l u x i n gi r o n - b a s ea l l o yw f - 3 12p a r t st o a c c o m p l i s hr e p e a t e df a t i g u e d e f o r m a t i o nt e s t sa n d a n a l y z e d t h ec u m u l a t e f a t i g u e d e f o r m a t i o nr u l eo f1c r l8 n i 9 t ip a r t s 、舫t hd i f f e r e n tc o a td e p t h t l l i sp a p e rc h o o s e sf o u rp a r t sw i t l ld i f f e r e n tt h i c k n e s st oa c c o m p l i s hd e f o r m a t i o n t e s t sw i t hs e l 二m a d er e p e a t e di m p a c tm a c h i n e f o rt h ec o n v e n i e n c eo fc o m p a r i s o n ，t h ef o u r p a r t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ：r e p e a t e di m p a c ts t r e s s ：13 0 m p a ( t h ev a l u e i so n l yt e np e r c e n to fy i e l ds t r e n g t ho fc o a tm a t e r i a la n do n et h i r dt oo n ef o u r t ho fy i e l d s t r e n g t ho fb a s i sm a t e r i a l ) ，i m p a c ts t r o k ei s2 0 r a ma n di m p a c tf r e q u e n c yi s4 h z ，a n di t d r e wt h ec u r v e so fa v e r a g es t r a i nr a t i oa n dc u m u l a t es t r a i nf o l l o w i n gt h eg r o w t ho fl a y e r d e p t ha n di m p a c tt i m e sa n do ft h ef o u rp a r t sa n ds t u d yt h em e t a l l o g r a p h i co f t h ef o u rc o a t p a r t sa f t e ri m p a c t t e s t sh a v es h o w n ：t h e r ea l lh a v eo b v i o u sc u m u l a t ef a t i g u ed e f o r m a t i o n s o no n e1c r l8 n i 9 t ip a r ta n dt h r e e1c rl8 n i 9 t ic o a tp a r t sa n de d u c eac o n c l u s i o na sf o l l o w ： ( 1 ) u n d e rl o ws t r e s sr e p e a t e di m p a c tt o a d ，t h es t r a i nr a t i o i sd e c r e a s e sa sam a n n e ro f e x p o n e n t i mf u n c t i o nw i t l lt h ei m p a c tt i m e sa n dl a y e rd e p t hi n c r e a s i n ga n da tl a s tw i l lb e z e r oa n dt h ed e f o r m a t i o nr u l eh a sc h a r a c t e r so fs k i ne f f e c tp r o b l e m ；( 2 ) t h ec o a t ss u r f a c e d e f o r m a t i o nr a t e ，s t r a i nr a t i oa n dh a r d n e s sh a v et h em a x i m u mv a l u ea n dd e c r e a s eh i g h l ya s am a n n e ro fg r a d i e n t ；( 3 ) d i f f e r e n tm a t e r i a lh a sd i f f e r e n ts t r a i nd e p t h ，t o t a ls t r a i n ， h a r d e n a b i l i t ya n dh a r d n e s sp e n e t r a t i o n ；( 4 ) t h es t r u c t u r eo fs u p e r f i c i a lc o a tb e c a m eb l u r r y a n dd i s o r d e r e d ，t h e r ea l ed i s t o r t i o np h e n o m e n o no fg r a i na n di ti sl i g h t e n e df o l l o w i n gt h e g r o w i n go fl a y e rd e p t ha n dd i f f e r e n tc o a td e p t hh a sd i f f e r e n td e s t r u c t i o n i i 激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究摘要 t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a t ：u n d e rl o ws t r e s si m p a c tl o a d ，i ti st h ef a t i g u e d e f o r m a t i o nw h i c hc a n n o tb e d e s c r i p t 、 ，i t hs i m p l eb a l l i s t i cw o r k ，h a st h ep a r t i c u l a r m a c h a n i s ma n dc a nb em a c r o s c o p i cm e a s u r e d w i t h i nc e r t a i nl i m i t s ，t h el a y e rc o a tc a n a v a i l a b l yi n c r e a s et h er e s i s t a n c eo ff a t i g u ed e f o r m a t i o n b u ts i m p l yi n c r e a s e st h i c kc o a ti s n o tas i g n i f i c a n ti n c r e a s et h em a t e r i a lr e s i s t i n gd e f o r mm o r eb u r s tt i r e k e yw o r d s ：l o ws t r e s si m p a c t ，l a y e rc o a t ，c o a td e ：p t h ，c u m u l a t ef a t i g u ed e f o r m a t i o n , s k i ne f f e c t 1 1 1 w r i t t e n b yh u a n gx i a o h u a s u p e r v i s e db yf ug e y a n 激光涂层对1 c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 在机械工程中，一般认为，只有当外载荷大于屈服极限时，金属材料才会产生塑 性变形。生产中绝大多数的工程构件和机器零件在其服役过程中都是处于弹性变形状 态，不允许有微量塑性变形产生。但是实际应用中，也存在着低于屈服强度而产生塑 性变形的情况。试验证明：在多冲载荷下，即使冲击应力仅为材料屈服强度的1 1 0 1 3 时，材料仍然会发生宏观累积塑性变形。文献 1 对在奥氏体不锈钢表面采用激光熔 覆技术制取覆层并在多次冲击碰撞载荷下进行试验。试验结果：在仅为涂层与基体材 料静屈服强度的1 1 0 - 1 6 和1 2 3 4 的两种多冲峰值应力作用下，冲击5 1 1 1 0 5 次 前后覆层与基体都出现了明显的累积宏观塑性变形；其累积应变率涂层分别为 8 6 4 、2 2 6 ，基体分别为9 4 4 、4 5 0 ；并且变形从涂层到基体出现了由表及里 呈衰减趋势。从变形产生的条件看，低应力多碰宏观累积塑性变形是技术材料的一种 、_ 、一 特殊疲劳形变现象。国内外对这一现象几乎没有报道，同时也没有现有的经典理论能 解释这一现象。因此，有必要通过试验与理论相结合的方法对此现象进行研究，以期 能在理论上合理地解释上述这一变形现象。 在冶金、机械、化学、建筑、煤矿开采、交通运输、军事装备以及航空航天等工 业中，许多零件在工作中承受一定频率和速度的多碰载荷，而这些零件的失效原因与 其在低应力多碰载荷下工作有紧密的联系。如发动机汽缸排气阀、模具凹凸模、齿轮 的啮合面、各类控制阀、泵、凿岩机活塞、钎杆、风动工具、刀具剪口等就因工作在 低应力多碰载荷下而常导致失效，这些零部件失效的原因都可以归于材料在多冲接触 载荷下，发生了宏观累积塑性变形。这些零构件一般都是机器中的关键件，除本身价 值昂贵外，其失效后导致的厂家停产、检修更会带来更大的经济损失。因此，探讨零 件在多碰载荷作用下的失效行为及机理，寻求有效的方法来强化或修复此类零构件的 表面，从而提高其使用寿命、降低生产成本、提高系统的有效性和安全性，具有十分 重要的意义。 第一章绪论激光涂层对l c r l 8 n i 9 啊低应力多碰形变影响的研究 1 2 多次冲击问题的研究状况 1 2 1 小能量多冲疲劳问题的研究状况 零件承受反复的多次碰撞之后失效，零件所受载荷的形式与小能量多次冲击类 似。对相关领域小能量多次冲击疲劳问题的研究可追溯到上个世纪。1 9 0 8 年，s t a n t o n 和b a i r s t o w 对九种不同强度的钢进行了多碰弯曲试验，并且较深入地考察了化学成分 对铁素体珠光体钢碰撞破断周次的影响 2 】。上世纪中叶，l a y l a n d 对1 5 种典型结构 钢在多冲载荷下的破断行为进行了研究，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【3 】。 我国于1 9 5 8 年开始对材料在多冲碰撞载荷的行为进行研究，研究人员进行了不 同加载方式的实验研究，并且取得了较好的成果。周惠久，黄明志在金属材料强度 学中对小能量多次冲击破断问题进行了系统、全面的研究，并由实验得出了多种材 料两两相交的a - n 曲线( 能量、循环周次) 曲线。7 0 年代末8 0 年代初，零件在多冲 载荷下的研究转入微观分析。1 9 7 7 年，西安交通大学强度研究所结合应力分析，深 入研究了多冲弯曲疲劳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其 体积的增加而降低。这_ 时期的研究主要集中材料承受小能量多次冲击碰撞载荷时其 整体的破断规律。主要研究结论：多冲属于疲劳范畴，但与疲劳抗力不同，不单纯地 取决于强度因素，同时在一定程度上还取决于塑性和韧性因素；多冲寿命当冲击能量 极高时主要取决于材料的韧性，当冲击能量较低时主要取决于材料的强度；冲击应力 在材料的内部是以波的形式传递的，由于应力波的透射、反射并产生叠加，在有限尺 寸的材料内部将形成复杂应力；材料在多冲载荷条件下有明显不同于静疲劳的尺寸效 应等【4 】。 在工程应用中，多冲载荷下服役的零件，其失效形式除了疲劳断裂，更为普遍的 是零件表面发生疲劳磨损。w e l l i n g 、b r e c k 和e n g l e 等人从19 6 9 年开始主要对钢材的 往复多冲进行研究，给出了多冲载荷下的磨损量公式【5 7 】。陈子文在提高凿岩机活塞 寿命问题的研究中，通过对高碳矾钢进行处理，使其未熔碳化物达到颗粒小、数量少、 均匀、圆整度好的要求后，显著改善了活塞因多冲接触疲劳引起的端面下凹的现象 8 】。他们还研究了渗碳及热处理工艺与多冲接触疲劳性能之间的关系。主要的研究 2 激光涂层对i c r l s n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究第一章绪论 结论为：( 1 ) 由于渗碳件失效大多发生在渗碳层范围内，因此改善渗碳层的性质可以 提高材料的多冲抗力。试验证明采用滚压强化的渗碳件其寿命可以提高5 0 ；( 2 ) 多 冲接触疲劳寿命与渗碳层深度之间存在一定的峰值关系。峰值所对应的渗碳层深度受 应力状态、应力水平、零件失效部位及尺寸等因素的支配。( 3 ) 渗碳件的二次淬火比 一次淬火工艺有高的多冲接触疲劳寿命。方法是第二次淬火采用低温短时间加热来代 替传统的高温长时间加热。( 4 ) 通过适当提高回火温度，把表面硬度控制在5 8 6 0 h r c 时具有最高的多冲寿命【9 】。国内外许多学者于8 0 年代以后针对工程上非常突出的多 冲滑动摩擦磨粒磨损问题进行了较多的研究 1 0 1 4 】。文献【1 2 】通过磨面、磨屑和亚表 层分析，根据疲劳磨损的特征提出凿坑变形疲劳磨损和积累变形疲劳磨损两种类型，并 分析了疲劳磨损的判据。 1 2 2 表面强化技术的研究状况 目前，对于零部件在多冲碰撞载荷下出现的大量失效问题一般采取以下措施来解 决：在整体上选用优质或合金元素含量较高的材料；对零件进行整体强化；选 用的合适的材料对其工作表面进行强化处理。由于这类零件的大多数失效行为是由其 工作表面引发和造成的，因此以上第3 种方案被广泛应用。传统表面强化方法如喷丸、 渗碳等虽然能显著提高材料的疲劳极限【1 5 1 6 1 ，但对提高多冲碰撞抗力的效果却一般。 现代表面强化方法除各种形式的表面( 层) 热处理、化学处理、形变处理等强化处理 以外，还包括在表面施加各种覆盖涂层，即置一层完全不同于基体的材料作为工作涂 层，在普通基材上获得优异性能的覆盖层，能有效提高零构件的抗多冲碰撞能力。表 面覆盖分薄膜技术和厚膜技术，多冲载荷下工作的构件一般采用厚膜技术。厚膜技术 一般采用火焰、电弧、等离子、电子束、激光等作为热源或载体，通过合金化、喷、 镀、堆焊、熔覆等方法将置入材料覆盖在被处理的表面。国内许多学者对利用表面强 化涂层抵抗多冲载荷作了研究。其中邵天敏等对等离子喷涂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一基体系的冲击响应频剖 】；李学敏对目前工程 上使用较多的热喷涂涂层进行了多次冲击试验，观察到冲击载荷下热喷涂涂层的一些 的塑性变形行为，并且对涂层的累积塑性变形机理进行了探讨【l8 】。文献【1 9 】利用氧一 乙炔喷涂n i 4 0 涂层，通过磨粒磨损试验，发现在相同的试验条件下，火焰喷涂n i 4 0 涂层的耐磨性能优于低碳钢j 5 5 。 第一章绪论激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 其中激光涂层技术【2 0 】是近几年发展较快也最为成熟的一种表面强化技术，也是 一种比较可靠的表面强化方法，适合于多冲碰撞载荷的工作状况，已成功地局部应用 于汽车、航天、能源等领域。文献 2 1 】研究了采用激光熔覆强化的截止阀、安全阀密 封面具有更好的耐摩擦磨损、耐冲蚀和耐腐蚀等性能，寿命明显提高，减少了因阀门 密封面事故造成的停产损失，阀门使用量减少，提高了生产线的安全性与可靠性。文 献【2 2 】将激光熔覆技术应用于多冲载荷下工作的甲胺泵进排液阀密封面，其使用寿命 为原来未经激光熔覆强化的2 3 倍，提高了系统的可靠性与安全性。文献f 2 3 在3 0 4 不锈钢表面激光熔覆涂层后，对浸泡腐蚀后的试样进行分析，结果表明合金涂层的抗 腐蚀性能明显优于基体。目前，国内外都非常重视激光熔覆技术的研究与应用 2 4 - 2 7 3 。 1 3 激光熔覆及涂层 1 3 1 激光熔覆及涂层的性能特点 激光熔覆亦称激光堆焊，是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选 择的涂层材料，经高能密度激光束辐照加热，使之和基体表面一薄层同时熔化， 并快速凝固，从而在基材表面形成与基体为冶金合金的表面涂层的工艺过程【2 8 1 。 激光熔覆后的基体表面涂层具有与原涂层材料相同的优异性能( 耐磨、耐蚀、 耐疲劳、抗氧化等) ，达到了表面改性或修复的目的，在满足材料特定性能要求 的同时，又节省了大量的贵重金属【2 引。激光熔覆技术是一种新型的材料加工与表 面改性技术，它涉及到了物理、冶金、材料科学等领域【3 0 l 。，它与常规的表面涂层强 化技术相比较，它具有能量高而集中、熔覆层组织致密、晶粒度细小等特点，加工出 来的熔覆层硬度和强韧性高、缺陷少，并且基体微熔与熔覆层实现可靠的冶金结合， 基体受热影响小，基本无变形。同时还可以根据不同的工况，选择合适的合金成分， 来满足零构件不同的硬度、耐磨性及耐腐蚀要求。 图1 1 是分别采用激光熔覆、等离子喷焊、火焰堆焊三种工艺处理的熔覆层在界 面附近的金相组织( 二次电子像) 形貌【3 。可见，激光熔覆层以枝晶状显微组织为主； 等离子喷焊覆层为胞晶或胞状树枝晶组成，定向生长趋势不明显；火焰堆焊覆层下部 则以胞晶和平面晶为主。按照y b 2 7 7 7 标准规定，以上三种覆层的晶粒度分别为1 1 1 2 级、9 1 0 级、8 - 9 级。相比较：堆焊、热喷涂、喷焊等制备的涂层，热作用时间较长， 4 激光涂层对l c r l s n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 第一章绪论 热影响区变形大，晶粒粗大，涂层稀释率大，组织疏松，各种缺陷、杂质较多，致使 涂层的孔隙率大，在冲击载荷作用下，这些缺陷极易吸收冲击能量，引起裂纹，造成 涂层失效；激光熔覆层组织细密能提高晶界结合力，增加熔焊层的强韧性，可大大增强 熔层晶粒和晶界在多冲应力波作用下的强度和抗损伤能力。从理论上讲，激光熔覆及 其涂层的特性非常适合于多冲载荷及其涂层的制备。但国内关于包括激光熔覆在内的 先进涂层强化的零构件抗多冲性能的研究在国内外极少见报道【3 2 】，现有相近的研究大 都在涂层的耐磨损或冲击滑动磨损方面进行【3 3 d 7 1 。 ( a ) 激光熔覆层组织 ( b ) 等离子堆焊层组织 ( c ) 火焰堆焊层组织 图1 1三种涂层在界面附近的金相组织形貌 1 3 2 激光熔覆技术的发展 激光熔覆技术的研究开始于1 9 7 4 年，兴起于8 0 年代。欧洲最早将激光熔覆技术 应用于汽车工业。如美国的a v c o 公司在汽车发动机铝合金钢盖门座上激光熔覆直 接成形铜合金阀门座圈，取代传统的粉末冶金压配座圈，可显著改善发动机的性能， 降低生产成本，延长发动机阀门座圈的寿命【3 引。英国的r o l l sr o y c e 公司采用激光熔 覆技术代替钨极氩弧焊堆焊技术，修复航空涡轮发动机叶片，不仅解决了工件的开裂 问题，而且大大减少了金属粉末材料的消耗，降低了工时1 3 9 。近年来国内也在叶片和 阀座修复等方面开展了激光熔覆的应用研究。文献 4 0 】报道利用激光熔覆工艺代替等 离子喷涂和真空感应熔焊工艺，在内燃发动机排气阀密封面熔覆合金涂层，不仅避免 了涂层中的孔洞和微裂纹，还明显提高涂层的显微硬度，排气阀密封面耐磨和耐蚀性 能也提高3 4 倍。 目前，虽然激光熔覆技术已经在航天航空、模具和轧辊、生物医用等领域得到了 广泛应用，但国内外对低应力多碰宏观累积塑性变形相关方面的研究重点在于激光覆 第一章绪论激光涂层对1 c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 层零件耐磨性、耐腐蚀性的影响，对相关零件在低应力多碰载荷下的抗变形能力方面 研究进展不大，特别是对不同激光覆层厚度对涂层试件抗多冲碰撞能力的影响的相关 研究几乎没有。 1 4 本文的主要研究内容 在已有研究的基础上，本文拟通过低应力多冲试验，探讨单一j o ，踟9 弼武件和 不同激光强化w f 3 1 2 涂层厚度的1 c r l 8 n i 9 7 7 涂层试件在低应力多冲条件下的累积疲 劳变形现象和变形规律，并作比较分析。 ( 1 ) 低应力多冲疲劳变形理论的研究 以经典变形理论和几种低应力变形理论作为研究材料低应力多冲载荷疲劳变形 的基础。 ( 2 ) 低应力多冲疲劳试验的设计 分别对试件进行多冲实验及其力学性能和显微组织观测实验。为了方便分析和比 较，选择在相同试验条件( 冲击峰值应力为8 0 m p a ，冲击行程为2 0 m m ，多冲频率为 4 h z ) 对试件进行多冲试验，这样有利于总结多冲疲劳变形规律，同时确定了按几何 级数递增的多冲数据采集间隔次数。 ( 3 ) 多冲累积疲劳变形规律研究 利用坐标网格法进行低应力多冲试验，探讨材料随冲击次数和层深变化的疲劳应 变及累积规律，分别研究单一1 c r l 8 n i 9 t i 试件和有不同厚度激光涂层( w f 3 1 2 ) 的 1 c r l 8 n i 9 t i 试件的平均每次变形量、累积变形量、平均应变率、累积应变、层深以及 各层硬度变化和碰撞次数间之间的关系，同时对多冲后激光涂层试件的金相组织进行 分析，观察其微观组织的不同变化。提出增大激光强化涂层厚度对提高材料抗多冲疲 劳形变的作用。 6 激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 材料变形是金属构件发生疲劳、磨损、蠕变和稳定性丧失等失效的根本性原因， 因此在对材料进行失效研究的同时，应注重对材料变形机理的分析。本章介绍了目前 材料变形理论，以此为低应力多冲载荷下激光涂层的疲劳形变分析提供理论依据。 2 1 经典变形理论 金属材料在外力作用下，随着外力的增加，首先产生弹性变形，继而产生塑性变 形，最后失效。一般脆性材料的弹性变形较明显，没有明显的屈服与塑性变形阶段； 韧性材料有明显的屈服现象与塑性变形阶段；有的材料变形开始就产生塑性变形，弹 性变形和塑性变形是藕联产生的。但大部分金属材料都有明显的弹性变形和塑性变 形。 2 1 1 弹性变形 在外力去后，物体可以恢复原状的变形即为弹性变形，弹性变形是一种可逆变形。 金属材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子( 离子) 或分子自平衡位置产生可逆 位移的反映【4 。当外力作用在金属材料上时，外力、离子间的引力和斥力相互作用， 离子间的位置作相应调整，离子位移的总和在宏观上表现为金属材料的变形：当外力 去处后，离子依靠彼此间的作用力恢复到原来的平衡位置，宏观的变形也随之消失， 从而表现了弹性变形的可逆性。 理想的弹性材料在外载荷作用下，应力和应变的关系符合胡克定律，即满足以下 三个条件：应力和应变的响应是线性的；应力和应变同相位；应变是应力的单值函数。 但实际上，绝大多数金属材料的性能很难满足上述条件，弹性变形时加载线与卸载线 不重合，应变落后于应力，存在着滞弹性、粘弹性、伪弹性、包申格( b a u s c h i n g e r ) 效 应等几种行为。在三维应力状态下，通常用广义胡克定律或弹性本构方程来描述应力 应变关系f 4 2 1 ，即： 7 第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论激光涂层对1 c r l 8 n i 9 t i 低虑力多碰形变影响的研究 c k 2 c 1 1 e x + c 1 2 e , y + c ，3 岛+ c ，4 ) 匆+ c j 5 拙+ c j 6 乞：k t r y 2 c , 2 1 e x + c 2 2 f , y 七c 2 3 z 七c 2 甜硝+ c 2 5 y y z c 2 甜致 o z 2 c 3 1 c x + c 3 2 8 , y - f c 3 3 f , z - f c 3 4 y x y + c 3 5 7 y = + c 3 6 ) = i c x 严c 4 l 寸c 4 2 y + c 4 3 z + c 4 种譬产c 4 科弘寸c 4 甜戤_ q 一吣 c y , - - - c 5 1 e x + c 5 2 e y + c 5 弘z + c 5 甜) c ) ，+ c s 鲥) ) z + c 5 甜疆 飞西亍c 6 l 0 c 6 墨y 七c 6 3 ，c 6 甜锣+ c 6 甜炉七c 6 甜一 上式中，c m n ( m ，n = l ，2 6 ) 为弹性系数。 弹性体因外力作用而变形，当外力缓慢地施加于物体，外力相当于静载荷，便可 忽略不计系统的动能，在变形过程中，如果略去( 如热能，声能等) 的损耗不计，按 能量守恒定律，外力所作的功数值上将等于弹性体内储存的能量。当外力撤去时，储 存的能量就释放出来，变形也随之消失：当外力迅速的加到物体上时，此时就不可再 把它等同于静力，特别是这种力循环作用到物体上的情况。 2 1 2 塑性变形 当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留 一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形就是不可逆的塑性变形。 如图2 1 所示的低碳钢拉伸实验曲线图，当外力f f 。，材料开始发生塑性变形，在 e s 阶段，虽然f 不变，但材料继续发生了塑性变形，随着f 的继续增大，材料屈服， 在s b 阶段发生了均匀的塑性变形，并出现了强化，当f f b ，材料进入重新塑性变形 阶段。若当f f b 时卸载，外力f 和变形量l 的关系沿b 点到h 点，o h 阶段为塑性 变形部分。 ( 一) 塑性力学应力应变关系 塑性变形应力与应变的关系是非线性的，这是由于随着变形的产生和发展，材料 原有的组织和性能也随之发生变化，而且塑性变形是永久的，每一微小阶段的塑性变 形所导致的组织和性能的变化都要保留下来，并影响下一阶段的变形。 描述塑性应力应变关系的理论总体上有增量理论( 又称流动理论) 和全量理论( 又 称形变理论) 两大类。由塑性本构关系的增量理论分析得出，最终的塑性应变状态不 仅与最终的应力状态有关，而且还与全部的加载过程有关。塑性变形应力与应变的关 系不是一一对应的，即非单值，与加载路径有关，这是塑性本构关系和弹性本构关系 激光涂层对1 c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 最根本的区别。在某些特殊情况下，采用工程中最为简单的加载路径，塑性本构关系 的增量理论可简化为塑性本构关系的全量理论。其中，简单加载状态应具备以下条件 【4 3 】： ( 1 ) 材料是不可压缩的，并按幂函数硬化。 ( 2 ) 位移边界条件是齐次的。 ( 3 ) 载荷是按比例增加的。 r 哥 p 辍 o l 图2 - 1 低碳钢拉伸实验曲线图 ( 二) 金属塑性变形机理 金属塑性变形最基本的方式是滑移和孪生。在2 0 世纪3 0 年代英国物理学家 t a y l e r 提出滑移的实质是位错运动。大量理论研究表明，滑移时又产生大量新的位错， 即位错增殖，任何阻碍位错运动的因素都使滑移的阻力增大，增加塑性变形难度，从 而提高金属材料的强度。 对单晶体金属材料而言，常温下滑移是塑性变形的主要方式。当滑移面及滑移方 向上的切应力达到一定临界值，晶体就开始产生滑移。在滑移难以进行的情况下，会 出现孪生，孪生和滑移相同，也是通过位错运动来实现的，其塑性变形的过程可视为 是部分位错滑过孪晶面一侧的切变形区中各层晶面进行的。 多晶体金属材料的晶粒取向不同，由于存在着晶界及晶粒大小有差别，使得多晶 体的塑性变形和强化有许多不同于单晶体。主要体现在：各晶粒变形的不同时性和不 均匀性，由于各晶粒的滑移系上都受到分切应力的作用，且分切应力大小不一，达到 临界值的先后不一，软位向的晶粒先变形，硬位向的晶粒后变形，当从外观上看整个 宏观塑性变形还不大时，个别晶粒的塑性变形可能已经达到极限值，即各晶粒变形程 9 第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论激光涂层对1 c r l 8 n i 9 t i 低戍力多碰形变影响的研究 度不同，即使单个晶粒内，晶界变形也要低于晶粒中心区域；变形过程中引起了一些 物理、化学性能的变化，在常温下，最典型的物理现象是金属材料的应变强化现象； 实际应用中，多晶体的点阵类型、金属种类、晶粒大小、变形温度、变形速度、加载 方式等都会影响应力一应变曲线的特征和数值，如温度较低时，变形只在晶内进行， 滑移线会在晶界上消失，但高温时，晶粒会沿着晶界滑动甚至开裂，出现扩散性蠕变， 引起多晶体变形的复杂化。 2 2 低应力变形理论 在材料力学的研究范畴中，金属材料发生变形通常可大致的归入弹性变形或塑性 变形，而本文所研究的金属材料是在多冲载荷的疲劳变形，属于低应力塑性变形的范 畴。根据材料发生低应力塑性变形的原因和具体形式出发，目前研究比较成熟的低应 力塑性变形理论主要有：蠕变变形、疲劳变形、疲劳磨损变形和冲击变形等变形理论。 事实上，这些不同形式的变形理论的实质都是材料发生了弹塑性变形，但在应力应变 计算或者应力应变关系方面明显不同于简单意义上的弹塑性变形。 2 2 1 蠕变变形理论 蠕变即金属在恒定外力应力作用下发生的缓慢而又连续的一种形变心】。目前，绝 大多数工作中所采用的恒定应力都在宏观屈服应力之上，随金属材料不同，所得蠕变 曲线有所差异，变形过程中应变、应力与外力不再保持一一对应关系，但是，在较高 温度下，特别是当温度达到材料熔点的1 3 到1 2 时，即使是应力在屈服极限以下， 试件也会产生塑性变形，时间愈长，变形量愈大，直至断裂。 ( 一) 蠕变曲线 典型单轴拉伸蠕变曲线图如图2 2 所示，分为减速蠕变、恒速蠕变或稳态蠕变、 加速蠕变三个阶段，其中o 为施加载荷后，材料产生的瞬时应变，为弹性变形。蠕 变与时间的关系可用下式来描述： = o + f n ) + d ( t ) + q ( d( 2 2 ) 式中，e o 为瞬时蠕变，珩) 为减速蠕变，d ( t ) 为稳态蠕变，t p ( t ) 为加速蠕变。 1 0 激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 裂 i 图2 2 典型蠕变曲线 ( 二) 影响蠕变的主要因素 蠕变变形不仅取决于材料的成分、组织结构等内在因素，而且也受应力、温度、 环境介质等因素的影响。其中，应力和温度对蠕变性能和蠕变速率有很大的影响。实 验证明，应力对蠕变的影响主要是改变蠕变机制，在低应力范围，扩散蠕变机理起控 制作用，而在中、高应力范围，位错运动机理起控制作用【4 5 】。 2 2 2 疲劳变形理论 美国试验与材料协会在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义 ( a s t me 2 0 6 7 2 ) 中对疲劳的定义：指在某点或某线承受扰动应力，且在足够多的循 环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的永久结构变化的发展 过程。 ( 一) 应变疲劳与应力疲劳 通常所说的疲劳问题实际上包含了循环应力和循环应变两个性质不同的领域。当 循环应力接近或超过屈服强度，材料经过1 0 2 一1 0 5 次左右失效，为低周疲劳，由于在 每一循环周期内均产生较大的塑性变形，因此又称为应变疲劳；当循环应力小于屈服 强度，材料经过1 0 5 次以上的循环失效，为高周疲劳，由于其应变循环幅度主要限制 在弹性范围内，因此又称为应力疲劳。为评价材料的疲劳强度，通常对应变疲劳采用 w o h l e r 曲线，对应力疲劳采用m a n s o n c o f f i n 曲线。 ( 二) 疲劳变形机理 金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感 性等特点。在以往的疲劳试验中发现，引起疲劳断裂的循环应力一般低于材料的屈服 第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 激光涂层对l c r l s n i 9 t i 低戍力多碰形变影响的研究 强度，在宏观上表现为断裂前试件和零件没有明显的塑性变形和其它明显征兆，其实 质是一种损伤累积的过程，且疲劳裂纹总是源于材料的最薄弱处，如材料本身的冶金 缺陷及在加工制造和使用过程中形成的应力集中。在微观上，由滑移过程的位错理论 提出，裂纹萌生的方式主要有三种：表面滑移带开裂、晶界或其它界面开裂。从高周 疲劳试验中发现，疲劳损伤仅限于试件表面，远离表层的金属材料不受循环应力的损 伤。其裂纹形成的主要原因是表面层上的某些晶粒具有有利于滑移的晶体学位向，它 们会产生滑移( 塑性变形) ，疲劳裂纹最初是从这些驻留滑移带扩展起来的，随着位错 的交滑移，使驻留滑移带在表面加宽，同时向前或向后移动，进而形成挤出峰和挤入 峰，并不断增高( 或变深) ，最后显微裂纹沿主滑移系，与载荷约成4 5 0 角的最大剪 切应力方向向内扩展，此阶段扩展速率很小。待裂纹扩展到一定深度后，裂纹转为沿 垂直于载荷方向扩展，此阶段的扩展速度和深度都较大，扩展的结果是形成条纹等形 态的断口。总的来说，影响材料疲劳寿命的因素主要有：应力集中、材料的组织状态 和零件的表面加工状态等。 2 2 3 疲劳磨损变形理论 ( 一) 疲劳磨损特征 疲劳磨损即两个接触体相对滚动和滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的 疲劳强度的情况下，在表层将引发裂纹，并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料剥落下 来的磨损过程脚1 。多次冲击载荷下物体表面承受纯法向的反复突加载荷作用，撞击在 被撞物体中形成体积载荷并形成应力波，同时产生极强的表面效应，其表面比在滑动 或滚动工况下更容易引发损伤，这种损伤大多以疲劳形式出现。 ( 二) 疲劳磨损变形机理 疲劳磨损的典型失效形式是点蚀、剥落和剥层等。其中，点蚀、剥落大多属于接 触疲劳失效的形式。大量的研究工作表明，点蚀裂纹一般都是从表层开始的，与表面 成1 0 0 2 0 0 向内倾斜扩展，最后裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来。而剥 落裂纹一般起源于亚表层内比较深的层次( 如可达几百个微米) ，沿与表面平行的方 向扩展，最后形成片状的剥落坑。文献【4 7 】镍铬渗碳钢上比较系统的进行了在纯滚动 及滑动条件下接触疲劳的试验，研究发现裂纹起源于亚表层内部大约在0 3 珈8 5 m m 之间，其剥层深度与接触条件、赫兹应力及渗层深度无明显对应关系。 1 2 激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论 2 2 4 冲击变形理论 ( 一) 冲击模型 如图2 3 所示的一个多冲试验的简单冲击模型， 在多冲载荷下其最大应力和变形量可依据能量守恒 ， n 原理近似求得。假设( 1 ) 被冲击杆件的惯性作用忽 略不计；( 2 ) 杆件变形与作用力成反比，而不是时 间的函数；( 3 ) 材料服从虎克定律，即始终保持在 现行的弹性范围内；( 4 ) 碰撞时没有能量损失。在 上述条件下，可以推导得出杆件所受应力的最大值图2 - 3 冲击质量一弹簧系统 ( $ m a x 和最大变形量y m a x 分别为f 4 8 】 一兰al + 冈 = 罢f 土+ ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式中w 为冲击质量，a 为杆端面积，为杆长，h 为冲击行程，e 为弹性模量。 由式2 3 可知，杆件所受冲击载荷应力不仅与面积有关，还与弹性模量e 和杆长 ，有关，这与静载荷的状况完全不同。但如果冲击应力超过材料的屈服强度，则虎克 定律不再适用，上述公式也无效，但可通过材料的应力应变图来估计应力值和应变量 4 9 1 o ( 二) 冲击载荷下应力的波叠加模型 材料承受冲击载荷时，上述的能量法仅仅是一个近似计算方法，其实际的真实模 型很复杂，应考虑应力波或脉冲将在材料内部的传播过程。特别是当外力超过材料的 屈服极限，材料发生了塑性变形的情况，这主要是由于冲击载荷，特别是多次冲击载 荷，有一个加载和卸载的循环过程，其塑性卸载过程不仅遵循与塑性加载过程不同的 本构关系，而且其本构依赖卸载前塑性状态的应力应变值。 2 3 本章小结 ( 1 ) 介绍了两种经典变形理论：弹性变形理论和塑性变形理论。金属材料受外力 第二章激光涂层多冲疲劳形变相关理论激光涂层对i c r l 8 n i 9 t i 低应力多碰形变影响的研究 作用后，随着外力的逐渐增加，将经历弹性状态到塑性状态，一直到损坏而失效。分 别提出了弹性变形和塑性变形应力与应变的关系，以及塑性变形的机理。 ( 2 ) 介绍了蠕变变形、疲劳变形、疲劳磨损变形和冲击变形等几种低应力塑性 变形理论，这些变形理论的实质是材料发生了弹塑性变形，但在应力应变计算或者应 力应变关系上，明显不同于通常意义上的弹塑性变形。本文所研究的低应力多冲疲劳 变形与以往的塑性变形理论存在区别，但传统的弹塑性变形理论也是本文开展研究的 重要理论基础。 1 4 激光涂层对l c r l 8 n i 9 啊低应力多碰形变影响的研究第三章多冲试验方案设计 第三章多冲试验方案设计