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高纯铝丝在真空镀膜领域的应用

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高纯铝丝在真空镀膜领域的应用

发布日期:2017-12-19 作者: 点击:

                               高纯铝丝在真空镀膜领域的应用


   纯铝丝在真空镀膜领域的应用

    强冲击载荷作用下延性高纯铝丝的拉伸型损伤与力学失效是许多工程技术领域中的重要科学问题。层裂(spallation)是这类问题相关的一种典型破坏现象,它是在冲击波作用下,由于相向稀疏波相互作用产生的拉伸应力引起材料内部微损伤成核、长大以及贯通,最后导致材料发生灾变式断裂的一种物理、力学现象。圆柱滚子轴承作为一种重要的基础部件,广泛地应用于各种旋转机械中,其运行状态直接影响整个机械系统的性能。采用涂镀纳米硬膜对轴承的表面进行改性,可以提高轴承的承载能力、回转精度,降低磨损,延长使用寿命。最近,Strachan等人(Phys Rev B,2001,63∶060103)和Sepp(?)l(?)等人(Phys Rev Lett,2004,93∶245503以及Phys Rev B,2005,71∶064112)通过分子动力学模拟研究,揭示出延性高纯铝丝拉伸型动态断裂的损伤发展具有一定的临界行为,即材料内部微损伤成核、长大是在演化发展到一定临界值以后,才出现灾变式断裂。王永刚(中国工程物理研究院博士学位论文,2006年)将临界损伤断裂的概念发展并应用于描述宏观样品的层裂破坏实验,因此对高纯铝丝镀膜圆柱滚子轴承进行多体接触静力学、动力接触特性和振动特性的研究,能为今后镀膜轴承的设计提供一定的理论指导。本文的主要研究内容如下:首先,对镀膜圆柱滚子轴承的多体接触静力学问题进行了研究。据此引入两个损伤特征物理量:聚集临界损伤度(D_l)和断裂临界损伤度(D_f)分别表征微孔洞之间发生聚集的临界点和微孔洞聚集后期诱发灾变式断裂时的临界点,通过实验与数值模拟初步验证了上述两个特征临界损伤度可以视为一种用于表征材料拉伸型动态断裂性质的材料物性常数。论文的主要工作和创新点归纳如下:1.通过改变飞片击靶速度和飞片、样品的几何尺寸,采用VISAR(激光速度干涉仪)技术测量了样品自由面速度剖面,根据自由面速度剖面的振荡特征分析了高纯铝的损伤演化规律。实验结果表明:相同厚度的样品中自由面速度最大值随着冲击速度的增加逐渐增大,表征样品层裂的后续振荡信号也逐渐变得明显。

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当加载应力很小时,样品中没有产生明显的损伤,自由面速度基本上是样品中压缩脉冲的反复振荡信号;当加载应力增大到一定值(约1.4GPa以上)时,高纯铝丝内部就会出现微损伤,使自由面速度后续波形发生明显变化,后续振荡也表现出一系列杂乱信号;当加载应力进一步加强(约2.2GPa以上),一种表征“层裂脉冲”的扰动在自由面速度波剖面中出现,自由面速度后续波形也表现出有规律的振荡。与已有文献的结果比较,表明高纯铝的层裂强度明显比一般的商业纯铝偏高,基本上与单晶铝的层裂强度一致,且随着拉伸应变率的增加而增大。2.建立了层裂损伤样品的定量金相分析方法,对经历了冲击加载的高纯铝回收样品进行了细观统计分析,讨论了层裂损伤样品内部的微孔洞分布和损伤演化特征。统计结果表明,高纯铝丝样品内部,离准层裂面近的地方小孔洞数目较多,出现的大孔洞尺寸也较大;远离准层裂面处,小孔洞数目相对较少,也几乎很少看到大尺寸孔洞。基于数值模拟,论文还讨论了临界损伤度函数模型及其物理参数的普适性问题,表明通过其中一发实验得到的模型参数同样也适合于其余发(次)实验,因而再次验证了聚集临界损伤度D_l和断裂临界损伤度D_f是表征材料损伤断裂的两个物性参数,与实验加载条件无关。定义拉伸应力和拉伸时间的乘积为拉伸(作用)冲量,统计发现:随着拉伸冲量增加,样品的损伤呈现明显的临界行为特征——当拉伸冲量较小时,损伤以线性方式缓慢增长,当拉伸冲量足够大,超过一定的临界阈值以后,损伤以幂指数形式快速增长。本文以高纯铝(99.999%)作为延性金属的模拟材料,在一级气体炮上开展了一维应变平面冲击波加载实验,通过建立一种可以在一次实验中对同一件样品同时获得加载自由面速度历史和“软回收”样品的专用实验装置,分析了高纯铝在不同加载条件下的损伤演化规律,定量统计了微孔洞的数量变化和损伤分布;结合自由面速度历史测量和细观损伤统计的实验结果,从理论上对高纯铝的损伤演化规律进行了分析讨论,对延性金属拉伸型动态破坏的临界行为,尤其是对损伤演化后期到断裂灾变之前的物理过程,获得了较深入的认识。初步实验结果表明,高纯铝的拉伸冲量临界阈值约为0.34GPa·μs。相对于Strachan等人(Phys Rev B,2001,63∶060103)和Sepp(?)l(?)等人(Phys Rev Lett,2004,93∶245503以及Phys Rev B,2005,71∶064112)的分子动力学模拟研究结果,本文在宏观试样中通过定量的损伤统计,首次观察和验证了延性金属材料动态拉伸损伤演化的这种临界行为。这一结果同时也是对传统的Curran、Seaman和Shockey等人[Physics Reports,147(5&6),253-388,1987]提出的微孔洞成核—长大基本规律(即微孔洞的长大半径与拉伸冲量呈指数增长)的一种重要补充和修正,是对损伤演化规律的一种重要认识。3.对动态拉伸作用下高纯铝的损伤演化进行了理论分析和数值模拟。针对以往数值模拟计算中,只采用单一方面的实验数据确定损伤演化模型中的物理参数的不足,本文提出并采用了自由面速度剖面和损伤统计分布联合确定临界损伤度函数模型中的物理参数的方法。根据计算确定了高纯铝丝材料的聚集临界损伤度D_l和断裂临界损伤度D_f的数值,并结合回收样品的金相照片分析,讨论了它们的物理意义,指出高纯铝材料中微孔洞的聚集机理主要是源于孔洞之间的直接连通。建立了圆柱滚子轴承的接触振动模型,分析径向振动的本质特征,进而对镀膜圆柱滚子轴承进行振动特性的仿真分析在几何尺度上,高纯铝中微孔洞开始聚集时的孔洞间距约为孔洞直径的0.74倍,发生灾变式断裂时的孔洞间距约为孔洞直径的0.01倍,显示出高纯铝丝具有良好的延展性,层裂区内微孔洞分布非常密集,相当于孔洞之间几乎挨在一起时材料才发生灾变式断裂。依据Hertz弹性接触理论进行解析计算,并用有限元软件进行建模与仿真,研究了不同镀膜材料及厚度对接触应力和接触变形的影响。对轴承运转时的动力接触特性进行了有限元分析。运用显式动力学模块对未镀膜和镀膜的圆柱滚子轴承进行动态等效应力和位移的分析;针对不同镀膜材料和镀膜厚度的轴承在承受径向载荷和转速的工况下表现出的动力接触特性进行分析。根据接触力学和振动学理论研究轴承的径向振动。最后,根据以上分析结果,综合考虑高纯铝丝镀膜后轴承的性质,确定最佳镀膜材料和镀膜厚度。 


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