Al-,2-O-,3-基納米復(fù)合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究.pdf

1、納米復(fù)合陶瓷刀具材料的計(jì)算設(shè)計(jì)是當(dāng)前國際上該領(lǐng)域內(nèi)的重大研究方向之一。本文提出了基于Mori-Tanaka方法的納米復(fù)合陶瓷刀具材料設(shè)計(jì)方法，研究納米復(fù)合陶瓷刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系，預(yù)測納米復(fù)合陶瓷刀具材料的強(qiáng)度、斷裂韌度及硬度，優(yōu)化納米復(fù)合陶瓷刀具材料的制備工藝參數(shù)，并對納米復(fù)合陶瓷刀具材料的力學(xué)性能與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、材料斷裂機(jī)制、刀具的切削性能和磨損破損機(jī)理等進(jìn)行了分析與研究。
　　 提出了基于Mor

2、i-Tanaka方法的納米復(fù)合陶瓷刀具材料設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)討論了刀具材料中的組分設(shè)計(jì)、物化相容性分析以及微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為獲得具有較高致密度的陶瓷素坯，應(yīng)用多組元雙尺度球形顆粒堆積模型，計(jì)算求得納米復(fù)合陶瓷刀具材料體系中最佳的納米顆粒與微米顆粒的粒度比及納米顆粒體積分?jǐn)?shù)。
　　 根據(jù)自洽理論，應(yīng)用Mori-Tanaka方法建立了二相胞元的剛度預(yù)報(bào)模型，預(yù)測了Al2O3/(W,Ti)C(簡稱AWT)納米復(fù)合陶瓷刀具材料的有效彈性模量。

3、復(fù)合陶瓷刀具材料的有效彈性模量隨增強(qiáng)相體積含量的增大而增大，增強(qiáng)相顆粒大小對有效彈性模量的影響不是很明顯。
　　 在納米復(fù)合陶瓷刀具材料三相模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Mori-Tanaka方法和微裂紋能量釋放理論，推導(dǎo)出包含隨機(jī)分布微裂紋的材料強(qiáng)度預(yù)測公式；結(jié)合已有的材料斷裂韌度預(yù)測公式，建立了納米復(fù)合陶瓷刀具材料斷裂韌度預(yù)測公式。結(jié)果表明，增強(qiáng)相粒徑對AWT納米復(fù)合陶瓷刀具材料預(yù)測強(qiáng)度的影響很明顯，粒徑越小材料強(qiáng)度越高，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)

4、對強(qiáng)度的影響不算大；粒度對材料的韌性影響也很大，粒度越小材料的斷裂韌度越大；材料的斷裂韌度隨增強(qiáng)相體積含量的增大先增大后減小，增強(qiáng)相體積含量為25％～50％時，材料的斷裂韌度相對較高。
　　 從納米復(fù)合陶瓷材料組分的原子硬度、離子硬度和鍵硬度這三個微觀層次上研究材料硬度的本質(zhì)，根據(jù)鍵硬度理論，應(yīng)用混合法則，建立了納米復(fù)合陶瓷刀具材料的硬度預(yù)測公式。結(jié)果表明，AWT材料的硬度隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增大而提高。
　　 優(yōu)化了AW

5、T納米復(fù)合陶瓷刀具材料的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)。在宏觀力學(xué)性能理論預(yù)測的指導(dǎo)下，通過對納米復(fù)合陶瓷刀具材料燒結(jié)溫度和保溫時間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了AWT10納米復(fù)合陶瓷刀具材料較為適合的燒結(jié)溫度為1700C、保溫時間為10min、燒結(jié)壓力為30MPa。制備的AWT10納米復(fù)合陶瓷刀具材料的綜合力學(xué)性能最好，其抗彎強(qiáng)度為930MPa，維氏硬度為23.5.GPa，斷裂韌度為7.55MPa.m1/2、導(dǎo)熱系數(shù)為12.6W/(m.K)。
　　 研

6、究了AWT10納米復(fù)合陶瓷刀具材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、裂紋擴(kuò)展形式和斷裂機(jī)制。結(jié)果表明，材料微觀結(jié)構(gòu)主要為晶內(nèi)/晶間混合型，材料的斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂的混合，裂紋的彎曲、偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)、分叉等使裂紋在擴(kuò)展過程中消耗更多的能量，從而促進(jìn)了材料強(qiáng)度和斷裂韌度的提高
　　 研究了納米復(fù)合陶瓷刀具材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。建立了AWT納米復(fù)合陶瓷刀具材料內(nèi)晶/晶間型結(jié)構(gòu)殘余熱應(yīng)力分析模型，計(jì)算了材料內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力。納米復(fù)合陶瓷刀具材料中拉、壓

7、應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)形式與納米基體顆粒及增強(qiáng)相顆粒的分布方式密切相關(guān)。在殘余熱應(yīng)力場中，裂紋易于偏轉(zhuǎn)或釘扎。在殘余壓應(yīng)力作用下，晶界結(jié)合強(qiáng)度得到增強(qiáng)，在晶界處易于出現(xiàn)位錯。這些特征的存在致使裂紋在擴(kuò)展過程中需要消耗更多的能量，因此促進(jìn)了材料強(qiáng)度和斷裂韌度的提高。此外，納米顆粒的引入，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，從而強(qiáng)化材料。
　　 研究了AWT10納米復(fù)合陶瓷刀具連續(xù)車削淬硬45鋼和淬硬工具鋼T10A時的刀具壽命、切削力及切削溫度，深入研究了刀具磨

8、損破損特征、機(jī)理及其與微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明，AWT10的刀具壽命比同組分的微米級SG-4刀具大幅提高，且適于淬火鋼的高速精加工。AWT10刀具連續(xù)車削淬硬45鋼時刀具的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和粘結(jié)磨損。AWT10刀具連續(xù)車淬硬工具鋼T10A時隨著切削速度的提高，刀具的失效形式從磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠茡p。
　　 研究了AWT10納米復(fù)合陶瓷刀具斷續(xù)車削淬硬45鋼時的切削性能及刀具破損形態(tài)和機(jī)理。AWT10的刀具壽命在低速和高速下均優(yōu)