梯度結構硬質合金殘余熱應力的數值模擬.pdf

1、本研究主要采用有限元方法分析了梯度結構硬質合金在制備過程中形成的宏觀熱應力，同時對于均質硬質合金內部微觀熱應力采用有限元方法中的單胞模型進行分析，并與Eshelby理論模型進行比較。為了驗證模型和分析結果的正確性，利用SEM、XRD、EDAX等現代材料分析與測試手段，對梯度結構硬質合金的成分、組織結構與性能之間的關系進行了必要研究，得到以下結論： （1）通過滲碳制備了具有三層結構的梯度硬質合金，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)的均質硬質合金。 （2）通過定義彈性約束因子，運用修正的混合律，建立了梯度硬質合金的彈性本構關系，即得到了簡化的體積比相關的復合材料楊氏模量表達式，同時采用簡單的混合律得到兩相復合材料熱膨脹系數和泊松比表達式，該模型可以通過有限元軟件MSC.Marc2005實現，計算表明：滲碳后硬質合金在溫度從800℃下降到室溫時，材料表面產生了壓應力，在富鈷區(qū)產生了拉應力，要使表面存在500-70

3、0MPa的壓應力以阻止熱裂紋產生，合金內鈷的名義含量應在15wt.％以上。 （3）采用材料常數隨溫度變化的彈塑性本構關系有限元單胞模型分析了均質硬質合金內部殘余熱應力。計算表明，增強相鈷相內最大拉應力為1400MPa，基體碳化鎢相內最大壓應力為1064MPa；當鈷相為非理想的橢球形狀（這里為圓柱形）時，鈷相內部有較大的等效應力（565MPa），且在應力集中處有塑性流動。 （4）通過引入塑性約束因子，建立兩相梯度復合材料彈

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

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