内容简介
本书主要介绍了铝合金微弧氧化涂层的生长机理、微观结构、表面性能和疲劳性能，以及涂层制备、微观结构表征和性能测试技术，揭示了残余应力产生机理及其与微缺陷的物理关系。本书从微观结构表征和应力分析两个方面，研究了铝合金微弧氧化疲劳性能的影响因素，分析了微孔、裂纹、界面缺陷和残余应力及其松弛对基体疲劳性能的耦合作用机制，构建了微弧氧化涂层铝合金疲劳损伤机理模型，进而阐述了铝合金微弧氧化疲劳劣化机理，并提出了基于微弧氧化涂层制备参数和工艺优化的疲劳寿命提升可行性方案。
目录
前言
第1章绪论1
1.1铝合金微弧氧化概述1
1.1.1微弧氧化涂层的生长机理3
1.1.2工艺参数对涂层微观结构的影响5
1.1.3涂层表面性能的研究进展9
1.1.4涂层对基体疲劳性能的影响10
1.2微弧氧化亟须解决的问题11
1.3本书的主要内容12
参考文献13
第2章微弧氧化涂层制备与测试技术17
2.1基体材料17
2.1.1铝合金的力学性能17
2.1.2铝合金基体的制备18
2.2微弧氧化涂层处理20
2.2.1微弧氧化设备20
2.2.2微弧氧化工艺22
2.3疲劳试验及S-N曲线23
2.4微弧氧化涂层测试24
2.4.1铝合金-涂层微观结构测试24
2.4.2涂层表面应变测试28
2.4.3涂层表面性能和抗热冲击性测试29
2.5本章小结29
参考文献30
第3章铝合金微弧氧化疲劳性能的影响因素32
3.1占空比对2024-T3铝合金涂层及疲劳性能的影响32
3.1.1占空比对2024-T3铝合金涂层微观结构的影响32
3.1.2占空比对2024-T3铝合金微弧氧化疲劳性能的影响36
3.2基体表面粗糙度对2024-T3铝合金涂层及疲劳性能的影响43
3.2.1基体表面粗糙度对2024-T3铝合金涂层微观结构的影响44
3.2.2不同基体表面粗糙度的2024-T3铝合金微弧氧化疲劳性能分析47
3.3氧化时间对铝合金涂层及疲劳性能的影响52
3.3.1氧化时间对铝合金涂层微观结构的影响52
3.3.2氧化时间对涂层2024-T3铝合金和7075-T6铝合金疲劳性能的影响56
3.4Cu含量对涂层微观结构和残余应力的影响验证62
3.4.1Cu含量对涂层微观结构的影响63
3.4.2涂层残余应力及微观结构对其表面性能的影响74
3.4.3试验结论79
3.5本章小结79
参考文献81
第4章铝合金微弧氧化残余应力对疲劳性能的影响85
4.1基体表面粗糙度对7075-T6铝合金涂层及疲劳性能的影响85
4.1.1涂层微观结构和放电能量传递85
4.1.2基体物理特性对涂层微观结构的影响90
4.1.3残余应力的产生机理及其稳定性分析92
4.1.4残余应力和界面缺陷对疲劳寿命的影响分析101
4.2占空比对7075-T6铝合金涂层及疲劳性能的影响107
4.2.17075-T6铝合金涂层的微观结构107
4.2.2残余应力估算及松弛分析111
4.2.3铝合金微弧氧化的疲劳失效机制分析118
4.3本章小结124
参考文献125
第5章基于应力仿真的铝合金微弧氧化疲劳性能分析129
5.1微弧氧化涂层铝合金的应力计算模型129
5.2线弹性区铝合金微弧氧化应力分析132
5.2.1铝合金微弧氧化涂层的应力和位移计算132
5.2.2铝合金表面应力测试和疲劳性能分析141
5.3弹塑性区的铝合金微弧氧化应力分析143
5.3.1线弹性区铝合金微弧氧化的应力和位移计算144
5.3.2塑性区铝合金微弧氧化的应力和位移计算148
5.3.3铝合金微弧氧化表面应力测试和疲劳性能分析152
5.4基体屈服的铝合金微弧氧化应力分析155
5.4.1中间层处于弹性阶段的应力和位移计算155
5.4.2中间层处于塑性阶段的应力和位移计算159
5.4.3铝合金微弧氧化表面应力测试和疲劳性能分析162
5.5中间层屈服的铝合金微弧氧化应力分析164
5.6残余应力对力学性能的影响和松弛机理分析168
5.7本章小结169
参考文献170
第6章铝合金微弧氧化疲劳性能优化方法172
6.1铝合金微弧氧化疲劳劣化机理172
6.2铝合金微弧氧化疲劳寿命优化方法175
6.3本章小结178
参考文献178
附录 181
附录A线弹性阶段的本构关系181
附录B弹塑性阶段的本构关系185
附录C基体屈服的本构关系188
附录D近涂层基体完全屈服的本构关系190
前言/序言
在碳达峰、碳中和目标背景下，轻量化设计是交通设备制造业的未来。铝、镁、钛及其合金（轻金属）具有低密度、高比强度和高比刚度等性能，是飞机、高铁和汽车以及船舶轻量化设计的优选材料。然而，轻金属的耐磨性、耐蚀性和抗热冲击等性能较差，导致“空天地”装备在苛刻环境下的服役安全难以保障。因此，轻金属表面的强化处理是结构设计首要考虑的问题。微弧氧化涂层是在基体表面原位生长的陶瓷涂层，界面呈冶金结合特征，可以显著改善轻金属的耐磨性、耐蚀性、抗热冲击性和电绝缘性等表面性能，极大地提升了材料服役的可靠性。在制备工艺和涂层物理特性方面，微弧氧化技术具有显著的优越性，是现代先进表面处理技术之一。
然而，在热-力-电耦合作用下，微弧氧化涂层不可避免地产生微缺陷（微孔、裂纹和界面缺陷）和残余应力。在循环载荷作用下，微缺陷的应力集中容易引发疲劳裂纹，残余应力也影响疲劳裂纹扩展，致使金属微弧氧化的疲劳寿命低且难以预测，限制了微弧氧化技术在航空、轨道交通和汽车等领域的广泛应用。铝合金的热膨胀系数是氧化铝陶瓷涂层的4倍，微弧氧化涂层的物理结构缺陷突出。本书以微弧氧化涂层铝合金为研究对象，总结了影响微弧氧化涂层铝合金疲劳性能的物理结构缺陷，探究了关键缺陷对疲劳寿命的影响规律，研究了物理结构缺陷在疲劳失效中的耦合作用机制，分析了涂层致基体疲劳劣化的物理结构缺陷特征，并基于疲劳劣化机理分析，提出了协同调控物理结构缺陷和微弧氧化工艺的疲劳寿命提升方法。
从微弧氧化涂层铝合金疲劳寿命关键影响因素甄别到劣化机理分析，再到疲劳优化方案制定，本书对铝合金微弧氧化疲劳寿命研究进行了系统阐述。全书共6章，主要内容包括：绪论、微弧氧化涂层制备与测试技术、铝合金微弧氧化疲劳性能的影响因素、铝合金微弧氧化残余应力对疲劳性能的影响、基于应力仿真的铝合金微弧氧化疲劳性能分析、铝合金微弧氧化疲劳性能优化方法。
本书主要由辽宁工程技术大学戴卫兵副教授撰写，其中东北大学李常有教授和辽宁工程技术大学郭辰光副教授参与撰写了第1~3章。感谢辽宁工程技术大学韩军教授的悉心指导，张建卓教授、于海跃教授、李强副教授、岳海涛讲师、白岩讲师、郭昊讲师对书稿撰写给予的建议，以及哈尔滨工业大学王亚明教授、清华大学王习术教授在试验部分的大力支持！
本书以微弧氧化工艺参数—物理结构缺陷—疲劳性能为主线，注重内容的层次性、逻辑性和完整性，并由浅入深地构建知识架构，可供铝合金表面处理技术人员、科研人员阅读，也可供金属表面强化、疲劳寿命分析等学科方向的在校师生参考。
本书所涉及内容得到了中国博士后基金项目(2023TQ0145)、辽宁省教育厅基本科研项目（JYTQN2023195）和辽宁省自然基金联合计划项目(20240339)等多个科研项目资助。
由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请广大读者批评、指正，并提出宝贵意见。
戴卫兵
