重载冲击金属机械易损零部件耦合仿生强韧机理及关键技术

Modern industries continue to expand to the high-speed, high temperature, high pressure, the direction of a higher demand on the large metal mechanical strength and toughness of the vulnerable parts. Therefore, how to improve the strength and toughness of the metal mechanical wearing parts to improve its service life has become a major demand of the enterprises is an urgent problem.Coupling bionic we provide the theoretical basis to resolve the wide amplitude controlled to adjust the metal mechanical wearing parts mechanical performance problem is expected to help us solve the difficult to effectively solve the problem of the traditional unit bionic. In this project, we intend to "Nature as Teacher," trying to imitate the structure of animals and plants, form, function and behavior, the use of bionic coupling theory to solve the problems faced by the engineering bionics and coupling through the study of biological information, to identify biological coupling information and metal mechanical parts, features common to create a bionic model of the metal parts of the performance of the final metal mechanical parts on a variety of performance requirements. According to the theory of bionic, bionic research, the principal contradiction of the mechanical components material factors, find the common mimic biological body, physical appearance, material strength and toughness can not coexist breakthrough performance of bionic materials like organisms the same evolution, optimization.

现代工业不断向高速、高温、高压的方向拓展，对重载冲击金属机械易损零部件的强度和韧性提出了更高的要求。因此，如何提高金属机械易损零部件的强韧性提高其服役寿命，成为目前企业的一个重大需求，是一个亟待解决的问题。耦合仿生给我们提供了解决宽幅度可控调整金属机械易损零部件机械性能难题的理论基础，有望帮助我们解决传统单元仿生难以有效解决的问题。在本项目中，我们拟"师法自然"试图模仿动物和植物的结构、形态、功能和行为，运用仿生耦合的理论解决工程仿生所面临的难题，通过研究生物的耦合信息，找出生物耦合信息与金属机械零部件特性的共同点，来建立金属部件性能的仿生耦合模型，最终实现金属机械零部件对各种不同性能的要求。根据仿生耦合理论，对机械部件材料的主要矛盾因素进行仿生耦合研究，找到其中的共性，模仿生物的体态，体貌，实现材料强度和韧性不能共存的突破，通过仿生耦合让材料的性能像生物体一样不断进化、优化。

重载冲击金属易损零部件的可靠性是现代工业不断向高速、高温、高压拓展的关键，而其强度和韧性问题则是制约其可靠性的关键问题。目前国内外针对该类型部件的机械性能问题的研究大多依赖于材料方面的研究来改进与优化。本项目“师法自然”，依靠对零部件表层的材料组织、物理结构和表面形态组成等因素相互耦合的方法来解决制约部件强度和韧性提高不可兼得的问题，探索重载冲击易损零部件的仿生耦合设计与制备技术，取得了如下创新成果：（1）深入调研，揭示了形态、材料耦元对仿生耦合强韧化效果的影响规律和作用机理。 （2）通过对典型生物体植物叶片、昆虫模型的微观结构与力学性能分析，揭示了生物体微结构与力学特性之间的因果关系及其与抗疲劳性能的内在联系。 （3）考察了形状耦元界面形态对激光仿生耦合试样热疲劳性能的影响，研究了材料耦元强化处理对仿生耦合试样热疲劳性能的影响。 （4）基于典型重载冲击材料如蠕墨铸铁、合金锻钢等，采用激光熔凝处理手段加工仿生单元体，通过更换加工时的不同介质（水），细化了蠕墨铸铁仿生单元体的显微组织，提升了显微硬度。为了优化水介质单元体的性能，对单元体进行了电脉冲回火处理，进一步提升了水介质单元体的抗热疲劳性能。 （5）利用有限元方法，模拟分析了典型重载部件铁路合金钢轨的在经过激光仿生处理后的抗疲劳磨损性能并进行了实验验证，为其优化设计和试验研究提供了重要参考依据。 （6）全面考察了H13钢材料经过仿生耦合处理后的力学性能和抗疲劳性能，揭示了由H13为主要材料的压铸模具的仿生耦合表面的抗疲劳机制并进行了耦合参数与制备参数优化，从而获得了多种表面具有仿生耦合止裂效果模具的仿生耦合表面设计与制造技术。本项目研究内容为主要成果之一，获得国家技术发明二等奖1项（2013年度）（第二获奖人）；执行期内共发表学术论文17篇（均已标注），其中SCI收录17篇；申报国家发明专利1项；培养研究生6人，全面完成了项目的预期研究工作。