TiN涂層在摩擦滑動接觸條件下的壽命估算.pdf

1、TiN涂層具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕、抗氧化等優(yōu)越性能，已被廣泛運用于刀具、齒輪、軸承等重要零部件的表面，在摩擦滑動接觸條件下，能夠顯著地減少元件由于摩擦造成的失效，降低摩擦系數(shù)，減少能源消耗。而涂層材料在摩擦接觸條件下常常出現(xiàn)斷裂失效，疲勞斷裂分成裂紋的形成、擴展以及斷裂三個階段。涂層的疲勞壽命可由裂紋形成壽命和裂紋擴展至斷裂時的壽命組成，在摩擦滑動接觸中由于應(yīng)力集中更容易產(chǎn)生微裂紋，隨著裂紋的擴展，從而引起涂層的失效。為了滿足涂層結(jié)

2、構(gòu)應(yīng)用的需要，優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，需要開展對涂層在摩擦滑動接觸條件下的壽命預(yù)測。
　　為了研究TiN涂層系統(tǒng)在摩擦滑動接觸條件下的疲勞壽命，本文主要完成了以下工作：
　　1、制備了基體為高速鋼涂層材料為氮化鈦的涂層試樣，用掃描電鏡觀察得到涂層可見初始裂紋長度約為10-1um。利用納米壓痕儀測得TiN涂層試樣彈性模量為590GPa、斷裂韌度為3.30MPa·m1/2、硬度為10.17GPa等材料力學(xué)參數(shù)；在UMT-2摩擦試驗機

3、上進行劃痕實驗，測得了在穩(wěn)定滑動階段涂層表面的平均摩擦系數(shù)為0.25，觀察分析試驗后涂層表面形貌，并對壓頭與涂層的接觸區(qū)域進行掃面電鏡觀察和能譜分析。
　　2、通過Ariy應(yīng)力函數(shù)計算獲得平面應(yīng)力狀態(tài)下TiN涂層表面在摩擦滑動接觸條件下初次滑動的應(yīng)力分布，并作出應(yīng)力分布曲線圖；通過有限元軟件Abaqus模擬二維情況下壓頭在涂層表面的往復(fù)滑動，獲得涂層表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合理論計算獲得涂層表面平面應(yīng)力狀態(tài)下引起裂紋擴展的第一主應(yīng)

4、力的分布規(guī)律。
　　3、三維應(yīng)力狀態(tài)下，通過有限元軟件Abaqus模擬摩擦滑動接觸條件下壓頭在涂層表面的往復(fù)滑動，獲得涂層表面在滑動過程中的應(yīng)力分布；得出涂層表面第一主應(yīng)力與滑動次數(shù)的關(guān)系。
　　4、依據(jù)Paris定律，推導(dǎo)出涂層疲勞裂紋擴展壽命計算公式，通過斷裂韌度求出臨界裂紋尺寸，由應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系得出的涂層壽命（即臨界疲勞周次）與應(yīng)力的關(guān)系，用于估算TiN涂層在摩擦滑動接觸條件下的壽命，分別求出平面應(yīng)力狀態(tài)和三維應(yīng)