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《天津大学》 2007年
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涂层/基体界面的断裂行为研究

徐连勇  
【摘要】: 热喷涂层的可靠性关系到构件的安全运行,对涂层特性的了解和把握是其工业应用的关键条件。本文从探讨涂层/基体系统完整性评定的方法出发,对LX88A涂层的力学性能、涂层的断裂行为基本特性、涂层与基体间界面的断裂参量以及基于局部法评定涂层/基体的界面断裂行为等几个方面进行了研究。 本文通过三点弯曲试验测量了LX88A涂层的弹性模量(E),结果表明涂层的孔隙率对涂层E具有很大的影响,E的测量值随孔隙率的减小而增大。随着涂层厚度的增加,整个涂层的平均孔隙率变小,使得E随之增大。另外,发现相同厚度涂层的显微硬度和孔隙率均具有较大的分散性,并且涂层E随显微硬度的增大而减小,因此,相同厚度涂层的E具有较大的分散性。 通过对三点弯曲试样中LX88A涂层断裂行为的观察,发现涂层中某位置所受力矩达到一定值时,该处会产生垂直于界面的裂纹,故可将力矩是否达到临界值作为该位置产生裂纹的条件。有限元分析结果也证明了上述结论,对于三个不同位置的裂纹,当裂纹产生时该位置处界面附近的应力水平基本接近。 本文将断裂力学实验和有限元分析相结合获得界面断裂时裂纹尖端的应力场,并根据界面复应力强度因子(K)的定义计算了对LX88A涂层与Q345钢界面裂纹的K。结果表明,在三点弯曲试样中拉伸载荷和剪切载荷共同主导界面裂纹尖端附近区域,甚至剪切效果大于拉伸效果。研究发现只有部分试样的界面裂纹尖端附近存在K主导区,即K有效。另外,由于七个试样发生界面断裂时的J积分值分散很大,所以不适合使用单一断裂参量J积分来评价界面断裂行为。 本文推导了将局部法用于界面断裂分析的理论基础。提出了两种断裂控制区的定义,一种将界面作为断裂控制区,一种将靠近界面的涂层薄层和基体薄层作为断裂控制区。对应两种定义提出了两种统计学分析的微观力学模型,对应两种模型讨论了界面裂纹的断裂准则,并根据最薄弱环节理论将局部法用于界面断裂行为分析。另外,制定了界面裂纹威布尔参数的估计方法和步骤,并编制了估计界面威布尔参数的程序。 本文将局部法用于分析界面断裂行为对试样几何形式的依赖性。发现不同几何形式的试样发生界面断裂时,在相同断裂概率下其威布尔应力基本相同,并基于局部法通过预制裂纹试样的试验结果成功预测了两种缺口试样断裂数据的分布,说明局部法可以用来描述界面断裂行为,并用于界面完整性评定。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O346.1

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