梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金殘余熱應(yīng)力的數(shù)值模擬.pdf

1、本研究主要采用有限元方法分析了梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金在制備過程中形成的宏觀熱應(yīng)力，同時(shí)對于均質(zhì)硬質(zhì)合金內(nèi)部微觀熱應(yīng)力采用有限元方法中的單胞模型進(jìn)行分析，并與Eshelby理論模型進(jìn)行比較。為了驗(yàn)證模型和分析結(jié)果的正確性，利用SEM、XRD、EDAX等現(xiàn)代材料分析與測試手段，對梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系進(jìn)行了必要研究，得到以下結(jié)論： （1）通過滲碳制備了具有三層結(jié)構(gòu)的梯度硬質(zhì)合金，外層貧鈷，中間層富鈷，芯部為滲碳前

2、的名義鈷含量，該合金在硬度和韌性方面均優(yōu)于常規(guī)的均質(zhì)硬質(zhì)合金。 （2）通過定義彈性約束因子，運(yùn)用修正的混合律，建立了梯度硬質(zhì)合金的彈性本構(gòu)關(guān)系，即得到了簡化的體積比相關(guān)的復(fù)合材料楊氏模量表達(dá)式，同時(shí)采用簡單的混合律得到兩相復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和泊松比表達(dá)式，該模型可以通過有限元軟件MSC.Marc2005實(shí)現(xiàn)，計(jì)算表明：滲碳后硬質(zhì)合金在溫度從800℃下降到室溫時(shí)，材料表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在富鈷區(qū)產(chǎn)生了拉應(yīng)力，要使表面存在500-70

3、0MPa的壓應(yīng)力以阻止熱裂紋產(chǎn)生，合金內(nèi)鈷的名義含量應(yīng)在15wt.％以上。 （3）采用材料常數(shù)隨溫度變化的彈塑性本構(gòu)關(guān)系有限元單胞模型分析了均質(zhì)硬質(zhì)合金內(nèi)部殘余熱應(yīng)力。計(jì)算表明，增強(qiáng)相鈷相內(nèi)最大拉應(yīng)力為1400MPa，基體碳化鎢相內(nèi)最大壓應(yīng)力為1064MPa；當(dāng)鈷相為非理想的橢球形狀（這里為圓柱形）時(shí)，鈷相內(nèi)部有較大的等效應(yīng)力（565MPa），且在應(yīng)力集中處有塑性流動(dòng)。 （4）通過引入塑性約束因子，建立兩相梯度復(fù)合材料彈

4、塑性變形的本構(gòu)關(guān)系，較之以前研究者們建立的塑性本構(gòu)，該塑性本構(gòu)模型的屈服準(zhǔn)則是溫度相關(guān)和體積比相關(guān)的，并可以通過有限元軟件MSC.Marc2005實(shí)現(xiàn)，更符合客觀實(shí)際，計(jì)算表明：相對于完全彈性，滲碳后硬質(zhì)合金引入塑性變形時(shí)，最大軸向應(yīng)力為750MPa，而最大等效應(yīng)力為600MPa，下降了70％。 （5）對于脫氮后得到的梯度硬質(zhì)合金，采用同樣方法，建立了彈塑性本構(gòu)關(guān)系，分析制備時(shí)產(chǎn)生的宏觀殘余熱應(yīng)力，計(jì)算得出：表面兩相區(qū)存在拉應(yīng)力

5、，向內(nèi)逐漸過度到壓應(yīng)力，兩相區(qū)最大拉應(yīng)力為140MPa，而芯部最大壓應(yīng)力為120MPa。 （6）采用有限元方法分析了均質(zhì)基體和梯度基體單層和多層復(fù)合涂層內(nèi)部宏觀殘余熱應(yīng)力。TiC/Al2O3/TiN復(fù)合涂層溫度從800℃下降到0℃時(shí)，在TiN涂層內(nèi)以拉應(yīng)力為主，在硬質(zhì)合金基體內(nèi)以壓應(yīng)力為主。另外，TiC涂層內(nèi)，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，Al2O3涂層為一應(yīng)力低谷，夾在兩個(gè)高峰之間。 （7）采用XRD方法測試了滲碳后梯度硬質(zhì)合金表面宏