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多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究

作　者: 刘含莲
导　师: 黄传真
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 多元多尺度纳米复合陶瓷增韧补强干切削切削性能
分类号: TG711
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文针对高速硬态干式切削对刀具材料的要求,从提高陶瓷刀具材料的综合力学性能出发,首次提出了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的设计思想。基于此思想,选择不同的多元多尺度陶瓷颗粒复合Al₂O₃基体,成功制备出四种具有高综合力学性能的新型陶瓷刀具材料。从热压烧结工艺、显微结构及其与力学性能的关系等方面,深入研究了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理,发现晶内/晶间混合型微观结构和穿晶/沿晶混合断裂模式,是陶瓷刀具复合材料强韧性提高的主要原因。对新型陶瓷刀具切削性能的研究表明,多元多尺度纳米复合陶瓷刀具的研制成功为高性能陶瓷刀具的进一步开发与应用奠定了基础。提出了多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的设计思想。添加相中有一相处于纳米级,通过多元多尺度复合,充分发挥微米增韧、纳米补强及多元互补的优势,提高复合陶瓷刀具材料的综合力学性能。本文设计了多元多尺度纳米复合材料的理想显微结构,即不同微米组元晶间分布、纳米颗粒晶内/晶间混合型分布。从裂纹扩展路径出发,论证了多元多尺度纳米复合刀具材料可形成穿晶/沿晶混合的断裂模式,消耗更多断裂能,从而有利于提高刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。根据胶体化学中悬浮液的稳定机制,对不同的纳米陶瓷粉末进行了液相分散研究,通过优化分散剂种类、分散介质、悬浮液的pH值以及分散剂的加入量等参数,结合超声分散及机械搅拌工艺,实现了纳米粉末及混合粉末的均匀分散。研制成功了多元纳米复合陶瓷刀具材料AAS(Al₂O₃/Al₂O_3n/SiC_n),其抗弯强度为796MPa、断裂韧性为5.01MPa·m^1/2、硬度21.32GPa。纳米Al₂O₃与纳米SiC的共同作用,使AAS复合材料在较低的烧结温度和较短的保温时间内即可获得高的致密度和细化的晶粒。由沿晶断裂向穿晶断裂模式的转变是其力学性能提高的主要原因之一。研制成功了新型多尺度纳米复合陶瓷刀具材料ASs（Al₂O₃/SiC_μ/SiC_n）,其力学性能为抗弯强度715MPa、断裂韧性8.2MPa·m^1/2、硬度22.57GPa,与单一添加微米SiC或纳米SiC的复合材料相比,其抗弯强度和断裂韧性都大幅提高。在致密的烧结体中,微米SiC与纳米SiC形成了典型的晶内/晶间混合型结构,裂纹从晶间到晶内再到晶间的路径扩展,消耗了更多的断裂能,形成了沿晶/穿晶混合的

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-14
第1章绪论  14-29
  1.1 陶瓷刀具的应用现状  14-15
  1.2 纳米复合陶瓷材料的研究现状  15-25
    1.2.1 纳米材料简介  15-16
    1.2.2 纳米复合陶瓷材料概述  16
    1.2.3 纳米复合陶瓷材料的力学性能  16-19
    1.2.4 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究  19-25
  1.3 多元多尺度复合陶瓷材料的研究  25-26
  1.4 纳米复合陶瓷刀具的研究现状及存在问题  26-27
    1.4.1 纳米复合陶瓷刀具的研究现状  26
    1.4.2 纳米复合陶瓷刀具研究存在的问题  26-27
  1.5 本课题的研究目的、意义及主要研究内容  27-29
    1.5.1 研究目的  27
    1.5.2 研究意义  27-28
    1.5.3 主要研究内容  28-29
第2章多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的设计思想  29-46
  2.1 概述  29
  2.2 多尺度配比利于致密化原则  29-33
  2.3 多元多尺度复合陶瓷刀具材料的显微结构设计  33-35
  2.4 多元优势互补原则  35-37
  2.5 复合陶瓷刀具材料设计的一般原则  37-43
    2.5.1 化学相容性分析  37-38
    2.5.2 物理相容性  38-39
    2.5.3 尺寸效应  39-43
  2.6 本文选择的材料研究方案  43-45
    2.6.1 基体的选择  43
    2.6.2 添加相的选择  43-44
    2.6.3 几种刀具材料体系的确定  44-45
  2.7 本章小结  45-46
第3章纳米陶瓷粉末液相分散研究  46-62
  3.1 纳米粉末的团聚  46-47
    3.1.1 纳米粉体产生团聚的原因  46
    3.1.2 干粉颗粒的团聚状态  46-47
  3.2 纳米颗粒的分散方法  47-51
    3.2.1 分散方法简介  47
    3.2.2 纳米颗粒在液体介质中的分散理论  47-51
  3.3 影响液相分散效果的因素及分散体系选用原则  51-52
  3.4 分散实验研究  52-60
    3.4.1 作为添加相的纳米微粉原材料  52
    3.4.2 分散剂的选用  52-53
    3.4.3 试验方法  53
    3.4.4 测试评价方法  53
    3.4.5 纳米Al_2O_3的分散  53-57
    3.4.6 SiC微粉的分散  57-58
    3.4.7 Ti(C_(0.7)N_(0.3))微粉的分散  58-59
    3.4.8 混合粉料悬浮液的分散问题  59-60
  3.5 本章小结  60-62
第4章多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的制备及力学性能研究  62-89
  4.1 原料粉末  62-63
  4.2 材料的制备过程  63-65
    4.2.1 混合粉的制备  63
    4.2.2 烧结过程  63-65
  4.3 性能测试  65-66
    4.3.1 抗弯强度  65
    4.3.2 硬度  65
    4.3.3 断裂韧性  65-66
    4.3.4 材料密度的测量  66
  4.4 组成及显微结构分析  66-67
  4.5 多元纳米复合陶瓷刀具材料  67-76
    4.5.1 纳米复合陶瓷刀具材料Al_2O_3／Al_2O_(3n)／SiC_n(AAS)的研制  67-72
    4.5.2 多元纳米复合陶瓷刀具材料Al_2O_3／Ti(C_(0.7)N_(0.3))_n／SiC_n(ATS)的研制  72-76
  4.6 多尺度纳米复合陶瓷刀具材料Al_2O_3／SiC_μ／SiC_n(ASs)的研制  76-81
    4.6.1 材料组分  76-77
    4.6.2 制备工艺及力学性能  77
    4.6.3 力学性能与显微结构分析  77-81
  4.7 多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料Al_2O_3／TiC_μ／TiN_n(LTN)  81-87
    4.7.1 材料组分  81
    4.7.2 烧结工艺对力学性能的影响  81-84
    4.7.3 纳米TiN含量对材料力学性能的影响  84
    4.7.4 LTN的力学性能与显微结构分析  84-87
  4.8 本章小结  87-89
第5章多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机制  89-113
  5.1 晶粒细化的增强作用  89-90
  5.2 高致密度对强韧化的作用  90-91
  5.3 晶界强化对强韧化的贡献  91-94
  5.4 残余应力增韧机制  94-103
    5.4.1 多尺度颗粒弥散的残余应力计算模型  94-96
    5.4.2 残余应力的有限元分析  96-102
    5.4.3 残余应力的增韧机制  102-103
  5.5 特殊微观结构对增韧补强的作用  103-109
    5.5.1 位错  103-106
    5.5.2 孪晶  106-108
    5.5.3 纳米带  108-109
  5.6 其它增韧补强因素  109-111
  5.7 本章小结  111-113
第6章多元多尺度纳米复合陶瓷刀具的切削性能研究  113-131
  6.1 概述  113-115
    6.1.1 陶瓷刀具的主要磨损形式和主要磨损机理  113-114
    6.1.2 本章的主要研究内容  114-115
  6.2 新型陶瓷刀具切削40Cr时的切削性能研究  115-120
    6.2.1 实验条件  115
    6.2.2 实验结果  115-117
    6.2.3 磨损机理分析  117-120
  6.3 新型陶瓷刀具切削奥氏体不锈钢时的切削性能  120-125
    6.3.1 奥氏体不锈钢的切削特点  120-122
    6.3.2 实验条件  122
    6.3.3 实验结果  122-123
    6.3.4 磨损机理分析  123-125
  6.4 新型陶瓷刀具切削T10A时的切削性能  125-130
    6.4.1 实验条件  125-126
    6.4.2 实验结果  126-127
    6.4.3 磨损机理分析  127-130
  6.5 本章小结  130-131
第7章结论  131-135
参考文献  135-147
攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题及奖励  147-149
致谢  149

多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研制及其切削性能研究

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