颗粒增强涂层材料损伤与破坏的多尺度模拟与实验研究

本项目对颗粒增强涂层材料损伤与破坏分析的多尺度方法和实验技术进行研究。以激光熔覆颗粒增强涂层为研究对象，利用合适的激光加工工艺并结合微纳米压痕实验，研究薄涂层材料力学性能的测试方法和技术；耦合压痕实验和弹塑性有限元分析方法，测试颗粒与基体界面的结合强度，建立相应的损伤准则；以微观力学理论为基础，结合损伤力学、塑性力学和实验研究结果等，建立一套颗粒增强涂层材料损伤与破坏的多尺度分析方法；研究分析激光制备工艺、颗粒尺寸、颗粒分布密度和均匀性等对颗粒增强涂层材料强度的影响，为优化激光熔覆工艺建立理论和数值分析及实验基础。.通过本项目的研究，建立一套涂层材料力学性能的测试方法和技术，建立一套颗粒增强涂层材料损伤与破坏的多尺度分析方法，通过数值分析和实验研究，为激光熔覆制备颗粒增强涂层材料的工艺优化建立理论、数值分析及实验基础。

本项目对颗粒增强涂层材料制备技术、损伤与破坏分析的宏观和微观方法及实验技术进行研究，对于提高颗粒增强涂层强度的分析水平、优化涂层的制备工艺、提高涂层材料的强度等具有重要的理论和工程意义，主要研究工作和取得的成果如下：.1．采用激光熔覆技术制备H13-TiC颗粒增强复合涂层，采用拉伸试验，测试复合涂层的力学性能，并结合扫描电镜观察分析熔覆层微观结构以及损伤演化过程。研究表明，H13-TiC复合涂层与基材之间实现了良好的冶金结合；TiC颗粒体积分数越低，熔覆层致密性越好，气孔、微裂纹等微观缺陷也越少，但是颗粒溶解行为更严重；随着颗粒体积分数的提高，涂层的弹性模量以及屈服强度相应增加，但一定程度上降低了材料的延伸率与抗拉强度，导致材料的断裂方式从韧性向脆性转变；复合涂层拉伸失效破坏一般起源于增强颗粒的断裂，随后断裂颗粒与微孔洞之间汇聚成宏观裂纹。.2．选取激光熔覆H13-TiC复合涂层金相试样，通过纳米压痕试验，测量复合涂层微区的力学性能，研究分析压痕位置与颗粒的距离、压入深度以及颗粒形貌对压痕结果的影响，并结合有限元计算单颗TiC颗粒的临界断裂强度。结果表明，颗粒纳米压痕过程中，颗粒的断裂降低了压痕的接触刚度，影响了纳米压痕的试验结果；当压头加载于颗粒与基体界面附近时，压痕结果比较分散；压入深度对基体的压痕结果影响较小，但对颗粒的压痕结果影响较大；颗粒形貌对模量影响比较小，但对硬度的影响非常显著。.3．基于细观力学解析法并结合M-T均匀化方法，耦合ABAQUS子程序UMAT，计算H13-TiC复合涂层不同TiC颗粒含量下的应力应变曲线，并通过与拉伸试验结果比较，验证了模型的可靠性。研究表明，M-T方法预测的应力应变曲线高于实验结果，颗粒含量越多，差别越明显。.4．通过耦合G–L–D细观损伤模型与M–T均匀化方法，建立颗粒增强复合涂层材料损伤破坏的分析模型，模拟分析孔洞形状、尺寸、分布、颗粒密度以及颗粒损伤等对涂层应力应变曲线以及断裂应变的影响。结果表明：颗粒平均破坏应力越大，材料的硬化效应越明显，拉伸断裂应变越大；初始孔洞含量的提高以及孔洞形状比的降低都会减小材料屈服强度以及拉伸断裂应变；增大汇聚方向上的孔洞间距有助于提高复合涂层强度；增加颗粒体积分数，一定程度上提高了屈服强度，但涂层提早进入孔洞汇聚断裂阶段。