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Al_2O_3-W-Cr金属陶瓷挤压模具的制备与性能研究

作　者: 陈娇
导　师: 罗兵辉
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 金属陶瓷 微观结构 摩擦磨损 有限元模拟
分类号: TG148
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文针对白铜挤压成形模的要求,从提高模具材料的使用寿命出发,选用具有高硬度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、原料分布广泛的Al2O3为基体,采用热压烧结法制备了Al2O3-W-Cr复合陶瓷模具材料,研究了其力学性能、微观结构、强韧化机理、抗热震性能以及摩擦磨损行为,并利用有限元对Al2O3-W-Cr复合陶瓷材料挤压模具的工作状况进行分析,探讨陶瓷模具工作条件下的应力场和温度场的分布规律,得出如下结论：(1)研制的2种Al2O3-W-Cr(W%=19vol%,Cr%=19 vol%),(W%=15vol%,Cr%=15 vol%)复合陶瓷模具材料其抗弯强度分别为800 MPa和560 MPa,断裂韧性为9MPa·m1／2和13 MPa·m1／2。W和Cr金属粒子的加入极大改善了两种材料的抗热震性能,两种材料表现为热震断裂和热震损伤的混合模式,1号模具材料的临界热震温差AT为480℃,2号模具材料的临界热震温差△T为680℃。2号模具材料的抗热震参数R、和RⅣ均高于1号模具材料,分别为165℃,347×106μm与337℃,1256×106μm。(2)两种材料具有相似的磨损行为,摩擦系数随法向载荷的增大而降低、随摩擦时间的延长而升高,变化趋势均越来越缓慢；磨损过程是磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损共同作用的过程。2号材料具有比1号材料更优良的抗磨性能。(3)采用Gleeble-1500热模拟试验机进行压缩试验,建立了Al2O3-W-Cr金属陶瓷的应力-应变本构方程为(4)利用有限元软件Deform-3D模拟了铜管挤压凹模的工作状况,对其应力场和温度场进行分析,挤压过程中应力场和温度场呈不均匀分布,越靠近模口处,温度越高,应力越大,模具外部应力值和温度都低于内部；模具表面和模口处容易产生磨损与失效,甚至在纵向开裂；针对这一失效特点,提出相应的改善方法。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 文献综述  8-22
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 陶瓷模具材料的研究现状与存在问题  9-11
    1.2.1.陶瓷模具材料的研究现状  9-10
    1.2.2.陶瓷模具材料研究存在问题  10-11
  1.3 氧化铝-金属陶瓷的研究进展  11-15
    1.3.1.氧化铝的化学结构与物理性能  11-12
    1.3.2.氧化铝基金属陶瓷的强韧化  12-13
    1.3.3.各体系的氧化铝基纳米金属复合陶瓷  13-15
  1.4 陶瓷材料的抗热震性研究进展  15-18
    1.4.1.陶瓷材料抗热震性评价  15-17
    1.4.2.陶瓷材料抗热震性研究现状  17-18
  1.5 陶瓷模具材料的摩擦磨损性能研究进展  18-21
    1.5.1.摩擦及磨损的基本理论  18-19
    1.5.2.陶瓷材料摩擦摩损特性  19-20
    1.5.3.陶瓷材料摩擦磨损性能研究现状  20-21
  1.6 本课题的研究意义和研究内容  21-22
第二章 实验方案  22-29
  2.1.试样的制备  22-23
  2.2.性能检测  23-29
    2.2.1.致密度测量  23-24
    2.2.2.抗弯强度测量  24
    2.2.3.断裂韧性测量  24-25
    2.2.4.硬度  25
    2.2.5.微观结构分析  25-26
    2.2.6.高温抗热震性研究  26
    2.2.7.摩擦磨损实验方法  26-28
    2.2.8 高温变形及模拟分析  28-29
第三章 Al_2O_3复合陶瓷组织、力学性能及抗热震性  29-43
  3.1.粉末原料形貌  29-30
  3.2.Al_2O_3复合陶瓷力学性能和微观结构  30-36
  3.3.Al_2O_3复合陶瓷的抗热震性  36-41
    3.3.1.Al_2O_3复合陶瓷材料抗热震性能  36-39
    3.3.2.Al_2O_3复合陶瓷材料抗热震性能评价  39-40
    3.3.3.Al_2O_3基复合陶瓷材料热震表面裂纹扩展  40-41
  3.4.本章小结  41-43
第四章 Al_2O_3基复合陶瓷模具材料摩擦磨损行为研究  43-52
  4.1.Al_2O_3基复合陶瓷模具材料的摩擦性能研究  43-46
    4.1.1 摩擦载荷与摩擦时间对摩擦系数的影响  43-44
    4.1.2.摩擦载荷与摩擦时间对磨损率的影响  44-46
  4.2.Al_2O_3基复合陶瓷模具材料的磨损机理研究  46-50
    4.2.1.载荷对磨损机理的影响  46-48
    4.2.2.摩擦时间对磨损机理的影响  48-50
  4.3.本章小结  50-52
第五章 Al_2O_3基复合陶瓷材料高温变形行为及有限元分析  52-66
  5.1.Al_2O_3基复合陶瓷模具材料高温变形行为研究  52-56
    5.1.1.高温压缩真应力-真应变曲线  52-54
    5.1.2.Al_2O_3基复合陶瓷模具材料高温变形力学模型的建立与校正  54-56
  5.2.Al_2O_3基复合陶瓷模具材料挤压凹模的有限元分析  56-64
    5.2.1.几何模型  56-58
    5.2.2.热模型  58
    5.2.3.材料模型  58-59
    5.2.4.摩擦模型  59
    5.2.5.模拟结果  59-63
    5.2.6.模具实际工况及改良  63-64
  5.3 本章小结  64-66
第六章 结论与展望  66-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
攻读学位期间主要的研究成果  74

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 金属陶瓷材料
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