一种测定基体残余应力的方法技术

本发明专利技术公开了一种测定基体残余应力的方法，它包括步骤：确定温差、待测涂层和基体的各项参数；计算弯矩轴线到涂层与基体界面的距离δ、曲率Ｋ，以及基体平面力引起的平面方向的应变分量ε↓［ｓ］↑［０］；根据公式ε↓［ｓ］＝ε↓［ｓ］↑［０］＋Ｋ（ｚ＋δ）计算出基体的应变；根据公式σ↓［ｓ］＝Ｅ↓［ｓ］′ε↓［ｓ］计算出基体内部的残余应力σ↓［ｓ］。本发明专利技术根据弹性力学原理，不仅可精确测定出一般的多层涂层基体内部的残余应力值，而且还可精确测定出功能梯度涂层基体内部的残余应力值，为涂层制造前的优化设计提供有效的理论依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测定残余应力的方法，具体地说，是涉及一种对涂层的基体进 行残余应力测定的方法。
技术介绍
随着涂层技术的发展，多层涂层、功能梯度涂层的设计思想己经纳入到了涂层 的制备中，在现代工业中得到了广泛的应用。但是，由于涂层与基体的热膨胀系数 不匹配等原因，涂层与基体会随着温度的改变而发生形变，在涂层和基体内部产生 残余应力，这些残余应力会严重影响涂层的疲劳寿命等性能，而且涂层与基体间也 会存在互相影响，比如涂层材料的物性参数和厚度对基体的残余应力有着很大的影 响。由此可见，同涂层残余应力研究一样，基体残余应力的研究对涂层制造工艺也 具有很重要的指导意义，为了提高涂层的使用寿命和机械完整性，不但要预测涂层 内部的残余应力状况，而且还要精确预测基体内部的残余应力值，以及研究基体的 残余应力与涂层间的关联等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法采用弹性力学测 定出基体内部的残余应力值，为涂层制造前的优化设计提供了理论依据。 为了达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案，适用于涂层结构处于平面应变状态，其特征在 于，它包括如下步骤1) 确定温差Ar,待测涂层的层数n，基体的厚度G、有效弹性模量《、热膨胀 系数a,，和涂层各层的厚度,,、有效弹性模量《、热膨胀系数a,,下标i表示多层涂层的第i层涂层，下标S表示基体；2) 根据上面得到的参数，计算弯矩轴线到涂层与基体界面的距离5、曲率《，以及基体平面力引起的平面方向的应变分量《，下标i表示多层涂层的第i层涂层；3) 根据界面协调条件和涂层结构力与弯矩的平衡条件，将得到的距离5、曲率 X、应变分量《代入公式f,-^+尺(Z + 。，从而计算出基体的应变f,，其中， -《^Z^0， Z为沿厚度方向的坐标；4) 根据公式cr、. 计算出基体内部的残余应力cj、.。若所述涂层为功能梯度涂层，与基体接触的第1层涂层的材料为A，第n层涂 层的材料为B,在第l层到第n层之间的涂层为材料A与B的混合成分，且沿涂层 厚度方向呈阶梯变化，那么，所述涂层各层的有效弹性模量《由下式计算得出，式中《为第1层涂层的有效弹性模量，￡;为第n层涂层的有效弹性模量，(r", 为材料B在第i层涂层的体积分量，(&),-fi^iy",其中m为材料梯度指数；所述涂层各层的热膨胀系数a,由下式计算得出，式中 为第1层涂层的热膨胀系数，^为第n层涂层的热膨胀系数，(&),为 材料B在第i层涂层的体积分量，，其中m为材料梯度指数。所述基体平面力引起的平面方向的应变分量f，由下式求得，式中△ ="、. 一《,。本专利技术的优点是本专利技术根据弹性力学原理，不仅可精确测定出一般的多层涂 层基体内部的残余应力值，而且还可精确测定出功能梯度涂层基体内部的残余应力 值，为涂层制造前的优化设计提供有效的理论依据。而且，通过本专利技术中的公式， 能够客观得到涂层材料物性参数和厚度对基体残余应力的影响情况，能够准确直观 地读取出基体在冷却过程中的曲率大小，对涂层的失效预防起到一定的作用。附图说明图1是涂层和基体结构示意图2是测定基体残余应力的实施流程示意图3是在不同的沉积温度下，传统热障涂层各层和基体残余应力示意图； 图4是m为0.1、 0.25、 0.5、 1.0时，功能梯度热障涂层各层和基体残余应力分 布示意图5是m为1.0、 2.0、 5.0、 10.0时，功能梯度热障涂层各层和基体残余应力分 布示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步地描述。在本专利技术中，涂层和基体的组成一般采用图1所示的结构来表示。图1中，^ 表示基体的厚度，^表示整个涂层的厚度，r,表示第i层涂层的厚度，^表示第i层 涂层上表面到涂层与基体界面的距离，A,./表示第i层涂层下表面到涂层与基体界面 的距离。如图2所示，测定基体内部残余应力的方法包括如下歩骤1) 确定温差厶r，待测涂层的层数n,基体的厚度G、有效弹性模量《、热膨胀 系数a、.，和涂层各层的厚度。、有效弹性模量《、热膨胀系数",，下标i表示多层 涂层的第i层涂层，下标^表示基体。其中当涂层结构处于平面应变状态时，￡' = ￡/(1-v)， f为双向弹性模量，v为泊松比，￡为当涂层结构处于平面应力状态时的弹性模量。2) 根据上面得到的参数，由下式(1) 、 (2) 、 (3)分别计算弯矩轴线到涂 层与基体界面的距离^、曲率《，以及基体平面力引起的平面方向的应变分量《， 下标i表示多层涂层的第i层涂层。<formula>formula see original document page 5</formula>在式(1)和(2)中，/2,=力。。户i<formula>formula see original document page 5</formula>在式(3)中，= Ar为涂层结构所承受的温差。3) 根据界面协调条件和涂层结构力与弯矩的平衡条件，将得到的距离5、曲率/:、应变分量^代入公式f,-^ +《(z+。，从而计算出基体的应变f,,其中，-/,SzS0， z为沿厚度方向的坐标，^为基体厚度。4) 根据公式^7、.=￡、.、，计算出基体内部的残余应力CT,。在实际的工业生产中，为了降低多层涂层内部相邻层之间的物性参数差异引起 的失配应变，降低涂层内部各层之间的应力不连续，具有较好复合性能的功能梯度 涂层被广泛应用。功能梯度涂层具有较多的层数，相邻层之间的喷涂材料及其微观结构、物性参 数呈现阶梯性变化，其可以用图1所示的结构表示。对于功能梯度涂层，与基体接触的第1层涂层的材料为A，第n层涂层(即涂层顶层)的材料为B，在第l层到第 n层之间的各层涂层为材料A与B的混合成分，且沿涂层厚度方向呈阶梯变化。功能梯度涂层内部的残余应力可按照上述步骤测定出，如图2所示，与一般多 层涂层不同的是，在步骤l)中，采用Vegard法则，计算出第/层涂层的物性参数涂层各层的有效弹性模量五,'由式(4)计算得出五X(^W(i-(^),) (4)式(4)中，^为第1层涂层的有效弹性模量，^为顶层涂层的有效弹性模量， (^),为材料B在第i层涂层的体积分量，采用Drake等人提出的材料幂律，(Ffl),由公式K),=n — l求出，其中，m为材料梯度指数。涂层各层的热膨胀系数a,由式(5)计算得出 or, =a>H(Ffl),) (5)式(5)中，^为第1层涂层的热膨胀系数，^为第n层涂层的热膨胀系数，(Kfl),为材料B在第i层涂层的体积分量，由公式(^),= 指数。U-i求出，其中m为材料梯度实际应用中，涂层内部的残余应力也可参照上述方法求出，它主要包括歩骤确定温差Ar，待测涂层的层数w，基体的厚度G、有效弹性模量《、热膨胀系数a、.， 和涂层各层的厚度。、有效弹性模量￡:、热膨胀系数a,等参数；按照公式(l) 、 (2) 分别计算^、《，以及涂层各层平面力引起的平面方向的应变分4=1，= 根据界面协调条件和涂层结构力与弯矩的平衡条件，由公式《=《° +尺^ + "计算出涂层各层的应变^ ， 0SzS^， z 为沿厚度方向的坐标，,c为整个涂层厚度；由公式cx,-五^,计算出涂层各层内部的残 余应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定基体残余应力的方法，适用于涂层结构处于平面应变状态，其特征在于，它包括如下步骤：　１）确定温差ΔＴ，待测涂层的层数ｎ，基体的厚度ｔ↓［ｓ］、有效弹性模量Ｅ↓［ｓ］′、热膨胀系数α↓［ｓ］，和涂层各层的厚度ｔ↓［ｉ］、有效弹性模 量Ｅ↓［ｉ］′、热膨胀系数α↓［ｉ］，下标ｉ表示多层涂层的第ｉ层涂层，下标ｓ表示基体；　２）根据上面得到的参数，计算弯矩轴线到涂层与基体界面的距离δ、曲率Ｋ，以及基体平面力引起的平面方向的应变分量ε↓［ｓ］↑［０］，下标ｉ表示多层涂层 的第ｉ层涂层；　３）根据界面协调条件和涂层结构力与弯矩的平衡条件，将得到的距离δ、曲率Ｋ、应变分量ε↓［ｓ］↑［０］代入公式ε↓［ｓ］＝ε↓［ｓ］↑［０］＋Ｋ（ｚ＋δ），从而计算出基体的应变ε↓［ｓ］，其中，－ｔ↓［ｓ］≤ｚ≤０， ｚ为沿厚度方向的坐标；　４）根据公式计算出基体内部的残余应力σ↓［ｓ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王海斗，吴毅雄，徐滨士，张显程，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]