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功能梯度材料接触力学若干基本问题的研究进展.pdf

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2015 年 第 60 卷 第 17 期:1565 ~ 1573 引用格式: 柯燎亮, 汪越胜. 功能梯度材料接触力学若干基本问题的研究进展. 科学通报, 2015, 60: 1565–1573 Ke L L, Wang Y S. Progress in some basic problems on contact mechanics of functionally graded materials (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: 1565–1573, doi: 10.1360/N972014-01292 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 特邀评述 功能梯度材料接触力学若干基本问题的研究进展 柯燎亮*, 汪越胜 北京交通大学力学系, 北京 100044 * 联系人, E-mail: llke@ 2014-12-01收稿, 2014-12-25接受, 2015-05-22网络版发表 国家自然科学基金优秀青年科学基金和国家自然科学基金资助 摘要 由于功能梯度材料在改善表面接触损伤方面的潜在应用, 其接触力学问题受到越来 越广泛关注, 许多学者开展了大量的研究工作. 本文结合作者近些年来在功能梯度材料接 触力学方面开展的研究工作, 综述了功能梯度材料接触力学若干基本问题的最新理论研究 进展, 包括功能梯度材料的无摩擦和滑动摩擦接触、微动接触、热弹性接触及失稳、力电磁 多场耦合接触和黏附接触. 最后对未来功能梯度材料接触力学研究进行了展望. 关键词 功能梯度材料 接触力学 接触损伤 微动接触 热弹性接触失稳 黏附接触 “功能梯度材料” (Functionally Graded Materials, FGMs)是指在材料中引入成分和/或微观结构的空间 变化梯度, 使材料的性能在空间位置上呈梯度变化, 从而降低局部应力集中 , 以保证结构的不同部位在 不同服役条件下完成其承担的功能任务并保证整个 结构的完整性和可靠性 [1,2]. 用作涂层或过渡层 , 它 能够减小由于材料失配所导致的应力集中 , 提高粘 接强度, 改进表面性能和在恶劣的热、化学环境中提 供保护层 . 功能梯度材料作为材料设计规范性概念 是由日本学者于20世纪80年代首先提出[3], 其最初的 目的是为了解决新一代航天飞机热保护系统中出现 的热应力导致的失效问题 , 其设计思想是在早先使 用的金属陶瓷涂层材料的制备过程中连续地控制各 成分的体积含量 , 使材料的宏观特性在空间位置上 呈现梯度变化, 消除陶瓷涂层与金属间的明锐界面, 以达到既能充分发挥金属的高承载性能和陶瓷的高 承热性能, 又能有效缓解材料内部的热应力, 提高结 构抗失效能力的目的. 正因为它所具有的这些优点, 功能梯度材料的研究引起了人们的广泛关注 , 现在 已成为力学、材料学等研究领域中最活跃的方向之 一. 功能梯度材料在高温环境下的热机械方面(如航 空航天工业)以缓释热应力为目的已经显示出巨大的 应用潜能, 目前其应用也正逐步扩展到核能、电子、 化工、光学、声学、生物医学、建筑、切割机、燃气 机等众多工程技术领域[1]. 如上所述 , 功能梯度材料的应用并不仅限于高 温环境, 在常温下也有着广泛的应用前景, 其中出现 的许多力学问题同样为力学工作者所关注 , 如功能 梯度材料与结构的动静态响应、损伤与断裂、接触、 多场耦合、多目标优化等. 功能梯度材料接触力学就 是当中的一个重要力学问题 , 这一方面是为了探索 用表面压痕技术测量梯度材料的某些局部有效力学 性能(如弹性模量、梯度指数、屈服强度、应变硬化 指数、拉伸强度、硬度及断裂韧度等)[4,5]; 更重要的 是因为研究表明 , 把梯度材料用于表面涂层可提高 结构部件抗接触损伤或摩擦损伤的能力(这些损伤通 常由压痕、侵入、摩擦滑动和滚动、微动疲劳以及相 关的磨损过程引起)[6,7]. Suresh等人[8]利用铝矽酸盐玻 璃(Aluminosilicate glass)和多晶氧化铝(Polycrystalline alumina) 制备成的一种“模型”梯度复合材料(弹性模 2015 年 6 月 第 60 卷 第 17 期 1566 量按Esurface+Ey k的形式随深度变化) 进行滑动摩擦压 痕实验, 并与均匀多晶氧化铝、均匀铝矽酸盐玻璃或 均匀多晶氧化铝-铝矽酸盐玻璃复合材料的压痕实验 对比发现(如图1所示): 在接触区边缘上 , 均匀材料 中均出现
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