第四章 滑移线理论

涂层界面结合力的滑移线场的计算与分析

涂层界面结合力的滑移线场的计算与分析 张焕周里群刘亚 （湘潭大学机械工程学院，湘潭411105） The calculation and analysis by slip-line field for interfacial adhesion of electrodeposited nickel coating ZHANG Huan ，ZHOU Li-qun ，LIU Ya （Mechanical Engineering School of Xiangtan University ，Xiangtan 411105，China ） 文章编号：1001-3997（2009）10-0027-03 【摘 要】涂层-基体界面结合强度的好坏是评价涂层质量的关键指标，是保证涂层-基体满足力学、 物理和化学等性能的基本前提。在所有测试方法中，划痕法是最成熟和应用最广的方法之一。通过李和谢费的滑移线场理论，建立了涂层-基体界面结合力的理论计算方法，计算出（0.01~0.09）mm 厚电沉积镍涂层的界面结合力，其数值为（5.4～48.6）N/mm ，并运用有限元软件对该涂层的划痕过程进行了仿真，两者结果比较发现该解析解和有限元数值解有较好的一致性，他们之间的界面结合力计算误差在5%以内。并且在有限元仿真过程中能够直观体现刮刀在行进过程中涂层-基体界面所发生的应力、 应变情况。关键词：结合强度；界面结合力；滑移线场；有限元 【Abstract 】The interfacial adhesion and bond strength between the coating and substrate is often the key parameter in determining the quality of coatings ，and is the basic precondition in guarantee the perfor －mance of mechanics 、physics and chemistry.Scratch test is one of the most widely applied methods in all tests.In this text ，the theoretical calculation method of the interfacial adhesion has been developed through the theory of Lee and Shaffer ’s slip-line field and the interfacial adhesion of nickel coating whose thick － ness is from 0.01mm to 0.09mm has been calculated ，and the results are from 5.4N/mm to 48.6N/mm ，and the courses of scratch test have been stimulated by finite element https://www.doczj.com/doc/c216030547.html,pared the analytic results with the numerical results ，we found that they were almost consistent and their errors were less than 5%.Further － more ，the stress and strain of the interface between the coating and substrate could be presented all in the process of simulation. Key words ：Bond strength ；Interfacial adhesion ；Slip-line field ；Finite element 中图分类号：TH12，TP274文献标识码：A ＊来稿日期：2008-12-01 随着涂层技术的广泛应用，人们对涂层应用的可靠性和使用 寿命提出越来越高的要求，而涂层与基体的结合性能在很大程度上决定了涂层应用的可靠性和使用寿命，是得以发挥薄膜涂层作用的基本条件，也是涂层制造过程中普遍关心的问题，涂层与基体的结合强度是影响涂层质量的首要指标。 测量涂层-基体界面结合强度的试验方法很多，有划痕法、压痕法、弯曲法、冲击法、拉伸法及断裂力学法等。在所有实用的涂层-基体界面结合强度检验方法中，尤其是硬质涂层-基体界面结合强度的检验方法中，仅划痕检验法得到广泛的应用。 借用划痕法的力学模型，如图1所示。并采用冯爱新切向力法来确定临界切向载荷L C 。从图1中，很容易看出，只要把作用在刮刀上向下的压力改为对刮刀在垂直方向的约束，其图1可以等同于的刀具切削模型，如图2所示。而临界切向力L C 也就等同于主切削力F Z 的确定，其中图1和图2的α、 β分别表示刀具的前角和后角。此模型的改变有助于按照切削的原理和方法求解主切削力F Z 即临界切向载荷L C ，而不改变原来临界切向载荷L C 的值。并借助 有限元软件ANSYS 对这一切削过程进行动态仿真与模拟。 图1Xie 的划痕法示意图 图2刀具切削示意图1主切削力的计算 1.1切削过程滑移线场模型和速矢图的建立 采用前刀面为均布压力及库伦摩擦时的滑移线场。 Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造 第10期 2009年10月 27

第八章 滑移线

181 第8章 滑移线理论及应用 §8. 1 平面应变问题和滑移线场 滑移线理论是二十世纪20年代至40年代间，人们对金属塑性变形过程中，光滑试样表面出现 “滑移带”现象经过力学分析，而逐步形成的一种图形绘制与数值计算相结合的求解平面塑性流动问题变形力学问题的理论方法。这里所谓“滑移线”是一个纯力学概念，它是塑性变形区内，最大剪切应力max (τ）等于材料屈服切应力（k ）的轨迹线。 对于平面塑性流动问题，由于某一方向上的位移分量为零（设du Z =0），故只有三个应变分量（x d ε、y d ε、xy d γ），也称平面应变问题。 根据塑性流动法则，可知 p m y x Z -==+==σ σ σ σ σ 2/)(2 （8-1） 式中，m σ为平均应力；p 称为静水压力。 根据塑性变形增量理论，平面塑性流动问题独立的应力分量也只有三个（x σ、y σ、 xy τ ）（见图8-1a ），于是平面应变问题的最大切应力为： 2 2 31max ]2/)[(2/)(xy y x τ σσ σστ+-= -= （8-2） 可见，这是一个以max τ为半径的圆方程，这个圆便称为一点的应力状态的莫尔圆（见图8-1c ）。图中设x σ