功能梯度材料接触力学若干基本问题的研究进展.pdf

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必威体育精装版理论研究 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