不锈钢表面Fe-Al梯度涂层ANSYS残余应力仿真研究

小编认为学习知识最好的方式就是去运用知识来解决问题，当你学会运用这个知识来成功地解决问题的时候，你才能掌握这个知识。正所谓“纸上得来终觉浅，觉知此事要知行”。而对于ansy软件的使用，需要使用者对理论知识和实践知识都有很深刻的认识，需要你不断地在实践中运用于学习。

本案例讲述的是在316L不锈钢表面沉积Fe-Al功能涂层后，利用ansys仿真在Fe-Al涂层沉积完毕冷却后在基体和图层内部产生的残余应力。

在这个案例里面，你将掌握轴对称单元的应用、热结构耦合方式的求解、瞬态分析的步长等基础知识。

基体和图层内部的残余应力是由于温度冷却的不一致而引起的。属于热—结构耦合场问题。在ansys里面，求解耦合场问题，有两种方式，一种是直接耦合，热与结构耦合方程同时求解，要用到热—结构耦合单元。另一种是间接求解方式，求解分两步走，第一步求解温度场，第二步在求解温度场的基础上根据热膨胀系数求解应力场，分别用到热单元和结构单元。本案例中采用间接求解的方式。

为了使求解问题简单化，同时不偏离实际过程。考虑到降温过程材料的非线性变化，对模型我们要做以下假设：（1）涂层在制备时温度处于应力自由状态（2）涂层在制备过程中不产生塑性变形或蠕变（3）不考虑材料相变引起的热问题（4）假设涂层与基体、涂层与涂层之间不产生相对滑动。

模型为圆柱形，不锈钢基体尺寸为φ25×0.8mm，涂层的厚度为2μm，涂层从下往上依次为Fe3Al、FeAl、Fe2Al5、FeAl3。采用轴对称方式进行模型的建立，热单元选用平面四节点单元plane55，网格的划分采用映射网格划分方式。在求解温度场的分布之后，利用ETCHG,TTS命令转化为结构求解，同时利用LDREAD,TEMP,,,t, ,'l','rth',' '读入热分析的计算结果，作为应力求解的载荷条件，热应力的求解参考温度为680℃。

以下是求解的分析结果。

图1

图2

图3

图（1）—（3）分别为基体与涂层右上角的出的等效应力、经向应力和轴向应力的分布图。可见，在涂层边缘处存在应力集中，尤其在涂层明锐界面特别显著。这主要是由于在涂层边缘处冷却速度快，形成了较大的温度梯度造成的。等效应力在第二层涂层处较大，主要是由于第二层涂层材料的热膨胀系数较大，同时弹性模量较大造成的。径向应力在梯度中间层产生拉应力，在基体内部产生压应力，容易使涂层剥落。轴向应力沿厚度方向为均为拉应力，在基体与涂层的边缘处存在应力突变。

图4

图5

图6

图（4）为对称轴等效应力沿轴向的分布图。可见在涂层与基体的界面处存在应力突变，这主要是由于涂层与基体热膨胀系数不一致引起的，同时在第三层轴向应力最大，这与图（1）的结果相吻合。

图（5）—（6）分别为基体与第一层涂层界面处等效应力、径向应力的分布图。等效应力显示在边缘处应力突变，存在应力集中。

在求解分析之后，你可以用origin来绘制文中的曲线图，以使曲线美观。同时也可以研究涂层的变化顺序，涂层的厚度，基体的尺寸等对结果的影响进而优化你的实验。

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