（机械制造及其自动化专业论文）新型陶瓷刀具材料抗热震性的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本论文以各种新型陶瓷构件及陶瓷刀具材料抗热震性的评价为研究内容，对 以高抗热震性为目标研究开发新型梯度功能及纳米复合陶瓷刀具材料具有重要的 理论价值和实际意义。 在陶瓷材料临界应力断裂理论的基础上，通过分别求解无限大平板、无限长 圆柱体和球体三种形状构件在第三类边界条件下的瞬态温度场及瞬态热应力场， 研究了不同形状陶瓷构件的热冲击行为。并据此分别建立了引起三种形状陶瓷构 件表面临界热应力的临界温差表达式作为它们的抗热震参数。并深入分析了陶瓷 构件形状对抗热震性的影响。 通过求解第三类边界条件下对称型梯度功能陶瓷材料的瞬态温度场及瞬态热 应力，得到其表面达到临界应力的临界温差，并将其定义为抗热震参数：通过求 解第一类边霁条件下含双边裂纹的对称型梯度功能陶瓷材料的瞬态温度场、瞬态 热应力及瞬态热应力强度因子，提出高抗热震性梯度功能陶瓷材料的设计原则。 建立微观结构分析模型，求解含纳米增强相陶瓷复合材料的残余热应力，计 算分析纳米增强相引起的残余热应力在基体内的分布大小及规律。系统观察了纳 米t i c 增强s i 3 n 4 陶瓷复合材料的微观结构，研究了弥散t i c 颗粒对s i 3 n 4 基体微 观结构的影响，分析了其强韧化机理。 关键词：陶瓷刀具材料、抗热震性、纳米复合材料、梯度功能陶瓷材料、微观结 构 山东大学硕士掌位论文 a b s t r a c t e v a l u a t i o n so ft h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c eo fv a r i o u sn e ws o r t so fc e r a m i c c o m p o n e n t sa n d ce r a m i ct o o lm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e da st h em a i nco n t e n to ft h i s t h e s i s ，w h i c ha r eo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ff u n c t i o n a l l y g r a d i e n t c e r a m i ct o o lm a t e r i a l sa n dn a n o c o m p s i t ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l sw i t hh i g h t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e b a s e do nt h ec r i t i c a ls t r e s sf r a c t u r et h e o r yo fc e r a m i cm a t e r i a l s ，t h et h e r m a ls h o c k b e h a v i o r so fi n f i n i t ec e r a m i cp l a t e ，i n f i n i t ec e r a m i cc y l i n d e ra n dc e r a m i cb a l lw e r e i n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l yb y t h ec a l c u l a t i o n so f t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt r a n s i e n t t h e r m a ls t r e s sf i e l d su n d e rt h ec o n v e c t i v eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h e f o r m u l a eo fc r i t i c a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c el e a d i n gt oc r i t i c a ls t r e s sa tt h es u r f a c ea s t h e i rt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ep a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ，t h es h a p ee f f e c to fe e r a n u c c o m p o n e n t s o nt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ew a sa n a l y z e di nd e t a i l b y t h ec a l c u l a t i o n so f u n s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d sa n du n s t e a d yt h e r m a ls t r e s s e s f o rf u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc e r a m i cm a t e r i a l sw i t hs y m m e t r i c a ls t r u c t u r eu n d e rt h et h i r d c o n v e c t i v ec o n d i t i o n s ，t h ef o r m u l ao fc r i t i c a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c el e a d i n gt oc r i t i c a l s t r e s sa tt h es u r f a c ea st h et h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ep a r a m e t e rw a so b t a i n e d b yt h e c a l c u l a t i o n so f u n s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d s ，u n s t e a d yt h e r m a ls t r e s s e sa sw e l la st h e r m a l s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sf o rd o u b l e - - e d g e c r a c k e df u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc e r a m i cm a t e r i a l w i t hs y m m e t r i c a ls t r u c t u r es u b j e c t e dt os u d d e nc o l ds h o c k ，t h ed e s i g np r i n c i p l e sf o r f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc e r a m i cm a t e r i a lw i t hh i g ht h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ew e r ep u t f o r w a r d t h et h e o r e t i c a lm o d e lf o r s t u d y i n g t h em i c r or e s i d u a lt h e r m a ls t r e s s e si n n a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lm a t e r i a lw a se s t a b l i s h e d ，b yw h i c ht h ev a l u e sa n dt h e d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a lt h e r m a ls t r e s s e si n d u c e db yt h el l a n oi n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d t h em i c r o s t r u c t a r eo f c e r a m i c c o m p o s i t em a t e r i a ls i 3 n 4r e i n f o r c e db yt i c n a n op a r t i c l e s 山东大学硕士掌位论文 a sw e l la st h et o u g h e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l k e yw c i r d s ：c e r a m i ct o o lm a t e r i a l s ，t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ，n a n o c o m p o s i t e s f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc e r a m i cm a t e r i a l s ，m i c m s t r u c t u r e v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至塑盟 日期：竺竺兰兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至墼塑导师签名 t 1 a 东大掌硕士掌位论文 i i i 第1 章绪论 随着现代机械制造技术向高效率、高精度、高柔性和强化环境意识的方向发展， 既提高切削加工效率成为加速产品开发、降低成本、争取市场的关键所在。高速切 削是一种比常规切削速度高得多的先进制造技术，近十多年发展十分迅速。高速切 削作为4 种新的切削加工理念，对刀具材料提出了新的要求。而现代陶瓷刀具材料 以其优异的物理力学性能和切削性能，国际上已将陶瓷刀具视为进一步提高升生产 效率的最有希望的刀具。 陶瓷刀具有很高的硬度和耐磨性、耐热性、抗粘接性和化学稳定性，在高速切 削领域和切削难加工材料方面具有包括涂层刀具在内的硬质合金无法比拟的优势。 但陶瓷刀具材料的强度和韧性较低、热膨胀系数较高、导热性和抗热震性差。国际 上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基( a 1 2 0 3 ) 和氮化硅基( s i 3 n 4 ) 两大系列，添加 各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品种的氧化铝基和氮化硅 基陶瓷刀具。另外，还有以熔点更高的b e o 、z r 0 2 、t h 0 2 为基的陶瓷也有以耐热 性和硬度都很高的氮化物、硼化物、硅化物为基的陶瓷，最近还开发了梯度功能陶 瓷、表面改性陶瓷、纳米复合陶瓷、硬质合金粉末表面涂层陶瓷等。新型陶瓷刀具 有很高的硬度( h r a 9 1 9 5 ) 、耐磨性、耐热性( 可在1 1 0 0 1 2 0 0 。c ) 和化学稳定性。 而增强相主要有：t i c 、t i n 、t i b 2 、s i c p 、s i c w 、( w , t i ) c 、v i ( c ，n ) 、w c 、m 0 2 c 、 z r 0 2 、b 4 c 、z x b 2 、t i ( b ，n ) 等。 i i 陶瓷刀具研究现状 i i ia 1 2 0 3 基陶瓷刀具 a 1 2 0 3 基陶瓷是以a 1 2 0 3 为基体，根据各种增韧补强机理加入一种或多种增韧 补强相烧结而成的陶瓷刀具材料。其在目前所有陶瓷刀具材料中应用最为广泛。 经过多年的研究，a 1 2 0 3 基陶瓷刀具材料无论是种类上还是性能上都得到很大的 发展。与硬质合金刀具比较，a 1 2 0 3 基陶瓷刀具有下列主要特点f 2 】： 山东大学硕士掌位论文 ( 1 ) 高的硬度和耐磨性 陶瓷刀具的硬度达到h r a 9 1 9 5 ，超过了硬质合金( h r a 8 9 9 3 ) 。其耐麽性 比一般硬质合金高的多。如车削刚材时，陶瓷刀具的耐用度和金属切除量为硬质合 金的2 0 多倍，为陶瓷涂层硬质合金的6 倍左右：在高的切削速度时，其耐用度比 t i c 基的硬质合金刀具还要高。 f 2 ) 高的高温性能 陶瓷刀具有良好的红硬性，在1 2 0 0 0 c 以上仍能进行切削，这时陶瓷的硬度与 2 0 0 6 0 0 c 时的硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具的抗弯强度随温度的变化不大，研 究表明，各种方法生产的a h 0 3 基陶瓷在9 0 0 c 以下，起抗弯强度下降很小【”。陶瓷 刀具在高温下的抗压强度也很高，在1 1 0 06 c 下的抗压强度相当于钢在温室下的抗压 强度【6 1 。陶瓷刀具的这些优良高温性能使其能以高的速度进行切削，允许的切削速 度可比硬质合金的提高2 l o 倍。 ( 3 1 良好的抗粘结性能 a 1 2 0 3 对大部分金属的润湿性差，很难与金属粘结，它与钢产生的粘结的温度在 1 5 2 8 。c 以上，比制造硬质合金的各种碳化物的烧结温度都高，因此a 1 2 0 3 基陶瓷刀 具与钢的粘结温度也高于多种牌号的硬质合金，这表明其抗粘结能力强，可减少刀 具的粘结磨损。 ( 4 ) 化学稳定性好 a 1 2 0 3 陶瓷的化学惰性优于t i c 、w c 和s i 3 n 4 陶瓷。即使在熔化的温度时，与 钢也不相互反应，切削时扩散磨损小。a 1 2 0 ，基陶瓷的抗氧化性能特别好，切削刃即 使处于炽热状态，也能长时间连续使用。这些特性对金属高速切削和干切削都有意 义。 ( 5 ) 较低的摩擦系数 a i 2 0 3 基陶瓷刀具加工时的摩擦系数低于硬质合金刀具，切屑不易牯结在刀具 上，不易产生积屑瘤故加工表面粗糙度较小。切屑变形及切削力均较硬质合会加：c 时小，然而，由于陶瓷刀具材料的导热性差，故切削温度较硬质合金刀具高，且从 表面向内部的温度梯度很陡，表层温度高。 山东大学硕士学位论文 1 1 2s i 3 n 4 基陶瓷刀具 s i 3 n 4 基陶瓷刀具材料是7 0 年代出现的，是以高纯度的s i 3 n 4 粉末为原料，添加 增强相a 1 2 0 3 、t i c 等或y 2 0 3 、m g o 等烧结剂烧结而成，具有高的硬度、耐磨性、 耐热性和化学稳定性及良好的抗热冲击性能。它在一定程度上改善了a 1 2 0 3 陶瓷刀 具的脆性及抗热冲击性能差的缺点【3 1 ，在耐热合金、耐磨铸铁等材料的加工中已显 示出优越性。 国外的s i 3 n 。陶瓷刀具材料发展较快，国内则在8 0 年代研制成功这些刀具材料， 如清华大学研制的g t 8 0 、f t 8 5 等6 1 。主要性能指标为：密度3 1 8 3 4 1 9 c m 3 、硬 度h r a 9 1 9 4 、抗弯强度9 0 0 1 0 0 0 m p a 、断裂韧性4 7 7 2 m p a m l 2 同国外相比性 能差不多。 作为刀具材料，s i ，n t 陶瓷的性能在某些方面有其独特的优点，与硬质合金及及 a 1 2 0 3 基陶瓷比较，有下列主要特点： ( 1 ) 强度和韧性 s i 3 n 4 基陶瓷的强度和韧性虽不及硬质合金，但比a 1 2 0 3 基陶瓷好得多，抗弯强 度一般达9 0 0 1 0 0 0 m p a ，有的已达1 5 0 0 m p a ，远高于a 1 2 0 3 陶瓷。s i 3 n 4 陶瓷不仅 抗弯强度高，而且强度的可靠性也高，有明显的r 一阻力曲线。另外，s i 3 n 4 陶瓷的疲 劳强度比较高，可以获得相当稳定的使用寿命。 s i 3 n 4 陶瓷有良好的韧性。切削时不易产生裂纹，故在a 1 2 0 3 陶瓷不能胜任的氧 化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合，s i 3 n 4 陶瓷刀具都有稳定的切削性能。 ( 2 ) 硬度 与a 1 2 0 3 基陶瓷相比，s i 3 n 4 基陶瓷的硬度较低，如热压烧结s i 3 n 4 陶瓷的硬度 一般在h r a 9 1 9 3 ，而舢2 0 3 陶瓷的硬度一般都在h r a 9 3 以上，有的甚至大于 h r a 9 7 ( 如成都工具研究所研制的m 1 6 ) 。因而s i 3 n 4 基陶瓷的耐磨性较a 1 2 0 3 陶瓷 差，如切削铸铁时其后刀面磨损大于a 1 2 0 3 陶瓷刀具，切削钢料时s i 3 n 4 陶瓷的月牙 洼磨损较大。 ( 3 ) 耐热性 o a 东大掌硕士学位论文 s i 3 n 4 陶瓷有极好的耐热性，在1 0 0 04 c 时强度几乎不下降，在高达t 3 0 0 1 4 0 0 。c 时尚有一定的强度，高于a 1 2 0 3 基陶瓷，因而能承受较高的切削速度。车灰铸铁时， 速度可达6 0 0 m m i n 以上，有时甚至可达1 0 0 0 m m i n 。车镍基合金时速度可达 3 0 0 r r d m i n 以上。 ( 4 ) 抗热震性 s i 3 n 4 陶瓷具有良好的抗热震性，因其具有高的导热系数( 约为a 1 2 0 3 基陶瓷的 25 3 倍) ，而其热膨胀系数还不到a 1 2 0 3 陶瓷的一半，弹性模量也较低，这就必然 导致抗热冲击性能的提高。 f 5 ) 化学稳定性 s i 3 n 4 基陶瓷的化学稳定性好于硬质合金，但较a 1 2 0 3 陶瓷低。在1 5 5 0 。c 以上时， s i 3 n 。易分解，分解出来的s i 于金属的亲和力较大，切削时表现为耐磨性差。 1 2 陶瓷材料抗热震性的研究现状 陶瓷材料在使用过程中，不可避免地会受到温度骤变的影响，材料承受这种温 度骤变而不致于破坏的能力称为抗热震往或热稳定性。抗热震性是材料力学性能和 热学性能对受热条件的综合表现。陶瓷材料抗热震能力从本世纪五十年代开始发展， 至今己初步形成脆性陶瓷抗热震性评价理论的框架。 1 2 1 热震断裂理论及热震性损伤理论 对陶瓷材料抗热震性的评价目前主要有两种理论：热震断裂理论及热震损伤理 论。分别对应陶瓷的两种破坏形式，即热冲击断裂和热震损伤。前者是以弹性力学 为基础i 把热应力盯。和材料的极限抗拉强度仃，之间的平衡条件作为抗热震破坏的 依据： 盯三盯， ( 1 - 1 ) 当材料极限抗拉强度不足以抵抗热震温差a t 引起的热应力，就导致材料瞬时 4 山东大掌硕士掌位论文 i 断裂，即所谓的“热震断裂”。 而后者则是以断裂力学为依据，将热弹性应变f i w s u 断裂能u 之间的平衡条件 作为削据： 屹u( i 一2 1 当热应力导致的存储于在材料中的应变能w 足以支付裂纹成核和扩展而新生表 面所需的能量u ，裂纹就形成和扩展。它把材料的抗热震性和物理性能的变化联系 起来，探讨材料在受热过程中出现的开裂、剥落、退化、变质、终致碎裂、损坏的 过程，即所谓的“热震损伤”。 ( 1 ) 临界应力断裂理论 该理论从热弹性力学的观点出发，以强度一应力为判据，认为材料中热应力达 到抗拉强度后，材料就开始断裂，而一旦有裂纹产生就会导致材料的完全破坏。也 就是说，只要材料中最大应力值盯。( 般在表面和中心部位) 不超过材料的强度极 限盯，则材料不至于破坏。由此得到适用于急剧受热( 冷却) 的表征材料抗热震性 的第一热应力抵抗因子： r s 了d ( t - v ) ( 1 3 ) 础 式中，v 为泊松比，a 为热膨胀系数，e 为弹性模量。 考虑导热系数的影响推导出适用于缓慢受热( 冷却) 的第二热应力抵抗因子： r ，；c r i ( 1 _ - v ) ( 1 - 4 ) 黜 式中，五为材料的导热系数。 考虑材料的密度、比热，推导出适用于恒速受热( 冷却) 情况下的第三热应力 抵抗因子： r ”；。( i - - v ) 2f l - 5 ) c e 凸f 式中，p 为材料密度，c 为材料的比热。 山东大学硕士学位论文 山咀上分析可见，提高材料的盯，、a 和降低e 、d 、p 、c 均有利于抵抗 热震断裂。 ( 2 ) 热震损伤理论 该理论从断裂力学的观点出发，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展 及抑制的动态过程，以热弹性应变能和断裂能作为热震断裂的判据，得到评价陶瓷 材料的抗热震损伤的第四热应力抵抗因子： 尺”= i 而e 两 ( 1 6 ) ( 1 一v p ； 。 及第五热应力抵抗因子： r ”；币e l 两 ( 1 7 ) ( 1 一y 渺； 。 式中，y 为断裂功。 ( 3 ) 裂纹扩展和裂纹开始的统一理论 以上两种理论均建立在若干假设条件的基础上，且在实际工况中，材料的热震 破坏通常是两种机制同时作用。因此，为了获得合理的抗热震系数，必须分析材料 的热震破坏机制，将两种理论有机地结合。 h a s s e l m a i l 为弥补i i 缶界应力断裂理论只注重裂纹成核问题和抗热震损伤理论只 强调裂纹扩展的不足，建立了以断裂力学为基础的“断裂开始和裂纹扩展的统一理 论” 2 0 , 2 1 1 ，推导出激发裂纹核的临界温度。 以上抗热震性评价理论有诸多前提，如陶瓷材料为完全脆性，假设试样几何形 状和尺寸及热处理条件相同，材料性能本质上与温度无关，材料为均质且各向同性 等，所以它不可避免与实际试验结果存在一定偏差22 1 ，它们只能简单地预测陶瓷材 料的抗热震性。而为了从理论上指导设计制造具有高抗热震性的新型陶瓷材料，就 要对其热冲击行为及抗热震机理进行研究，并寻求简单经济的测试及评价方法。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 抗热震性断裂的实验方法 由于应用的场合不同，往往对材料抗热震性的要求凸不相同。例如对于一般f 用瓷器，通常之要求能承受温度差为l o o k 左右热冲击，而火箭喷嘴就要求瞬时能承 受高大3 0 0 0 4 0 0 0 k 的热冲击，而且还要经受高速气流的机械和化学作用，因此对 材料的抗热震性要求显然就有很大的差别。而目前对于抗热震性虽已能做出一定的 理论解释，但尚不完善，因此实际上对材料或制品的抗热震性评定，一般还是采用 比较直观的测定方法。 现在常使用的方法有： ( 1 1 水淬法 该方法是测量材料抗热震性最常用的方法，将试样以一定的升温速率加热到指 定的温度并保温，然后于冷却剂( 通常为室温的水) 中淬火，用弯曲法测量淬火后 试样的残余强度。画出试样的残余强度与热震温差4 丁的关系，试样的残余强度急 剧下降时对应的温差，即为材料的临界热震温差4 疋。 水淬法的优点是操作比较简单，其缺点是：淬火时，试样的表面形成气泡，影 响样品表面的导热系数，导致测量结果不准确，需要对很多样品进行测量以确保结 果的正确性，这种测量方法是破坏性测量，要确定裂纹的起点和亚临界热震损伤非 常困难，另外4 l 强烈地依赖于样品的几何形状的大小2 7 】。 f 2 、压痕淬火法 压痕，淬火法可以分为努氏压痕淬火法和维氏压痕淬火法以及多压头压痕测量 技术。这种方法是首先在样品上打上努氏压痕或维氏压痕，以消除脆性材料断裂的 不确定性，然后水淬测量临界热震温差。研究表明，该方法有下列优点：可以用 于任何几何形状的样品，因此可以测量部件的抗热震性能；可以同时研究大量的 裂纹，因此可以得到可靠的统计数据，测量几个样品就可以得到临界热震温差d 瓦。 ( 3 ) 红外加热与强气流淬火法。用高密度的钨石英灯对样品的两端辐射加热，用 强空气流对样品冷却。红外加热器有六个紧密排列的管状石英灯，可在试样上产生 1 0 8 0 k w r i f t 之的辐射能，如此大的热流可使试样在几秒的时间内升高到预定温度，样 山东大掌硕士掌位论文 品的温度由与其支柱连接的热电偶测量。然后用强气流喷射样品的表面，使其冷却 到室温。材料的热震损伤程度用其弹性模量的降低来表征，而弹性模量可根据材料 的动力学共振确定( 因为材料的共振频率耿决于其弹性模量、密度、和几何形状) ， e = o 9 4 6 4 5 c m f ? w ( i 一8 ) 其中c 是样品的大小、泊松比的函数，是一无量刚因子，1 7 1 为样品的质量，w 为 其宽度，厂，为弯曲震动的基频。 材料的损伤程度用残留弹性模量来表示： f = 1 一d ( 1 - 9 ) a 0 其中，扇、e 为热震前和后的弹性模量。 通过对s i 3 n t 和a 1 2 0 3 的研究表明，热震后材料的残留强度与残留弹性模量呈 良好的线性关系，因此可以用材料弹性模量的降低来预测强度的下降。该测量方法 是非破坏性的，可以用来测量材料热震后的损伤，另外可以在同一个样品上进行热 疲劳实验和累积损伤的评价。 ( 4 ) 圆盘中心加热法 首先将样品制成圆盘状，然后用金刚石锯片预制径向裂纹，用钨灯对准样品的 中心辐射加热，这样样品中心的温度远高于外边缘的温度，样品中心的高温膨胀受 到外边缘的制约，这样就在外边缘产生环向拉伸应力，在中心产生径向和切向压应 力。预制裂纹主要受环向拉伸应力的作用，如果其超过裂纹尖端的应力强度因子， 预制裂纹将会扩展。用红外高温计测量样品的温度，根据测得的温度，计算热应力 和应力强度因子，二者均为时间的函数。由测得的断裂时间可以计算出临界热震应 力强度因子。 ( 5 ) 热气流喷射法 用热流枪对准样品喷射2 分钟，如果样品不开裂，则移开喷枪使样品冷却到环 境温度，然后提高气流的温度，重新喷射直至样品开裂。样品裂开后，移开喷枪， 待样品冷却到周围环境温度，移走样品。l 临界热震温差等于样品裂开时气流的温度 山东大学硕士学位论文 减去环境温度。 若制品具有较复杂的性状，则在可能的情况下，可直接用制品来进行测定，这 样就免除了形状因素和尺寸因素带来的影响。 总之，对于陶瓷材料尤其是制品的抗热震性，在工业应用中目前还不能用统一 的方式来衡量，只能根据使用情况进行模拟测定。因此如何更科学更本质地反应材 料抗热震性，是当前技术和理论工作中一个重要任务。 1 2 3 影响陶瓷抗热震性的重要参数 ( 1 ) 热膨胀系数 固体材料的热膨胀源起于原子的热振动。已知，晶体中原子的平衡间距由原子 间的势能所决定，温度升高则原子的振动加剧，原子间距的相应扩大就呈现出宏观 的热膨胀。一般地说，氧化物的热膨胀系数随温度的提高而略有增大，它与晶体结 构和键的强弱密切相关。共价键晶体的键值比离子键晶体的低：因为前者具有价键 的方向性，欲想改变其原子间距和键角需要付予更大的能量。可见，原于堆积较密 和键强较高的晶体材料具有较小的热膨胀系数。 ( 2 ) 导热系数 抗热震性好的材料需要具有较高的导温系数，即能在一定的温差条件下较快达 到温度均匀分布的状态，这就要求材料具有较高的导热系数。热在陶瓷中的传导主 要借助于晶格振动，而在金属中，电子的运动及其与原予的碰撞对热传导起着决定 性的作用，因此金属的导热系数要高得多。 ( 3 ) 弹性模量 热应力是弹性模量的增值函数，由于陶瓷的弹性模量比金属高很多，其所产生 的热应力亦更为可观，弹性模量随着原子价的增多和原予半径的减少而提高，因此 适当选择化学组分是控制材料弹性模量的一个途径。 ( 4 ) 断裂能 9 山东大学硕士学位论文 i i i 断裂能是决定材料强度和断裂韧性的重要因素。无论是抗热震断裂、抗热震损 伤参数还是裂纹稳定参数，都是断裂能的增值函数。凡是有助于提高断裂能的材料 组分、结构成显微结构都将为抗热震性的改善做出贡献。 1 3 纳米陶瓷材料的研究现状 1 3 1 纳米陶瓷材料概况 纳米复合陶瓷( n a n oc o m p o s i t e s ) 的概念是由同本的k n i i h a r a 等人提出来的， 是指在陶瓷基体中引入适量亚微米或纳米级第二相的增强颗粒而获得的一类复合陶 瓷材料，通过一定的分散、制备技术，使陶瓷基体结构中弥散有纳米级颗粒的材料。 目前被引入的纳米级弥散相大多是1 0 0 3 0 0 n m 的颗粒。广泛的研究表明，引入 3 0 0 n m 以下的弥散颗粒后，材料的复合结构呈现出与传统复相陶瓷不同的形式，材 料的力学性能成倍地增加【1 5 , 1 6 。 陶瓷纳米复合材料根据弥散相的分布状态和基体相尺寸分为晶内型、晶间型、 晶内晶阀混合型和纳米纳米型。当增强相的颗粒减小到纳米水平对，材料的力学性 能将发生显著的变化。1 9 8 6 年，k n i i h a r a 等人【l7 】用c v d 方法首次制备出了s i 3 n d t i c 体系纳米复合陶瓷。1 9 8 9 年，n i i h a r a 等人又报道了以y 2 0 3 和a 1 2 0 3 作烧结助剂的 s i l n j 2 5 v o t s c 纳米复合陶瓷f 1 8 1 ，其室温强度达到了1 5 5 0 m p a ，经8 0 06 c 水淬冷 后强度不下降。最近这方面的报道很多，研究主要集中在以a 1 2 0 3 为基的氧化物陶 瓷和s i 3 n 4 为基体的氮化物陶瓷。已开发出的纳米复合陶瓷体系有s i 3 n 4 ，r i c 、 s i 】n 4 s i c 、a i z q s i c 、a 1 2 0 3 s i 3 n 4 等”j 。 陶瓷是晶粒和晶界组成的烧结体，把纳米级颗粒均匀分散到微米级陶瓷基体中 使复合陶瓷的晶粒尺寸、晶界特征、第二相分布、缺陷尺寸都发生了本质的变化。 因此，无论从材料结构的理论探索还是从应用的角度，对纳米复合陶瓷的研究都是 有重要意义的。 山东大学硕士学位论文 1 3 2 纳米复合陶瓷材料的强韧化机理研究 纳米复合陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能，但致命弱 点是脆性。改善脆性，增加韧性一直是材料科学工作者关注的焦点。用纳米碳化物、 氮化物、氧化物弥散到陶瓷基体中去，可以显著改善陶瓷的韧性。人们为改善陶瓷 的韧性，探索了很多增韧补强的方法。 纳米复合陶瓷材料在“微观”和“细观”尺度上都是非均匀的，既具有从原子 尺度上的短程有序性到“微观”层次的纳米结构及“细观”层次上的显微组织结构的 多尺度、多层次特征。他们的“宏观”性能不仅取决于各组成相的原子结构，更耿决 于“微观”结构( 即“微区”，如颗粒、相界面、位错等) 及“微区”在“细观”尺 度上的分布情况，如含量、维度、取向、尺寸、连接度等。 大量研究表明，陶瓷材料由纯基体的沿晶断裂转化为纳米复合后以穿晶断裂为 主，断裂模式的改变是增韧补强的主要原因，纳米复合陶瓷强韧性的提高主要是通 过“内品型”结构的以下效应而发挥作用：“内晶型”结构导致“纳米化效应”。纳米粒 子进入微米级基质颗粒之后，在基体晶粒内部产生了大量次界面和微裂纹，引起基 体颗粒的潜在分化，相当于组织的再细化，使得主晶界的作用被削弱：弥散相或 弥散相周围存在局部应力，这种应力是由基体与弥散相之间热膨胀失配而产生，并 在冷却阶段产生位错，纳米粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内产生潜晶界，使晶 粒细化而减弱主晶界的作用；纳米级粒子周围的局部拉伸应力诱发穿晶断裂，并 由于硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化；纳米粒子使裂纹二次偏折。沿晶 内微裂纹或次界面扩展的主裂纹前端遇到纳米粒子后，无法穿过而发生偏转，耗散 了断裂能量：纳米粒子高温牵制位错运动，使高温力学性能如硬度、强度及抗蠕 变性得到改善。 现在纳米复合陶瓷的研究主要集中在强韧化机理、材料的制备、显微结构及性 能表征等方面。 山东大学硕士学位论文 1 3 3 纳米复合陶瓷材料制备及性能的研究 对纳米复合陶瓷材料制备的研究主要包括 2 8 ，2 9 1 ： ( 1 1 纳米颗粒的分散( 有机械混合法、复合粉末法、原位生长法、液相分散报裹 法等) ； ( 2 1 纳米陶瓷的烧结方法( 有真空烧结法、快速微波烧结、超高压低温烧结、高 温等静压烧结、无压烧结、气氛烧结、放电等离子烧结、热压烧结等) ： 而其显微结构及性能的研究主要是探讨纳米增强相的粒度、含量、分布状态等 对显微结构及力学性能的影响，如适当增加纳米增强相的含量可以抑制晶粒的长大， 尺寸较小的纳米颗粒易形成“晶内型”结构，烧结后的机械加工、热处理等后处理 均会影响材料的应力状态和组织，从而影响性能。 10 4 本课题的研究的目的、意义及主要内容 1 4 1 课题的提出及研究意义 随着高速切削、高效切削及大量新材料、难切削材料的出现，对陶瓷刀具材料 各种热一力学性能尤其是抗热震性能提出了更高的要求。而目前关于陶瓷材料抗热 震性能的评价理论仍停留在4 0 多年前建立的针对均质各向同性陶瓷材料的经典抗 热震理论上，远远滞后于各种新型陶瓷刀具材料如梯度功能陶瓷材料、纳米复合陶 瓷材料等的发展。因此，本论文以各种新型陶瓷刀具材料抗热震性的评价为研究内 容，对以高抗热震性为且标研究开发新型梯度功能及纳米复合陶瓷刀具材料具有重 要的理论价值和实际意义。 1 4 2 课题的主要研究内容 ( 1 ) 通过求解无限大平板、无限长圆柱和圆球的瞬态热应力，得到其表面达到临界 应力的临界温差，并将其定义为抗热震参数，对其进行了计算。并深入研究分 山东大学硕士学位论文 析了三种不同的陶瓷构件形状对抗热震性的影u 向。 ( 2 )通过求解第三类边界条件下对称型梯度功能陶瓷材料的瞬态温度场及瞬悉热 应力，得到其表面达到i 临界应力的临界温差，并将其定义为抗热震参数：通过 求解第一类边界条件下含双边裂纹的对称型梯度功能陶瓷材料的瞬态温度场、 瞬态热应力及瞬态热应力强度因子，并将其均质陶瓷材料做了比较。提出高抗 热震性梯度功能陶瓷材料的设计原则。 ( 3 1通过求解含纳米增强相陶瓷复合材料的残余热应力分布规律及大小，并结合材 料显微结构分析，研究了纳米复合陶瓷材料的强韧化机理及抗热震机理。 本章参考文献 1 陈木其陶瓷刀具的特性、种类及应用机械制造，2 0 0 0 1 1 ，3 8 ( 4 3 5 ) 2 方文淋等a 1 2 0 3 陶瓷刀具材料的研究和发展机械工程材料，1 9 9 5 4 ，1 9 3 王一三现代陶瓷刀具材料成都科技大学学报，1 9 9 4 ，5 4 ，d r c l a r k ea n dg t h o m a s j a m c e r m a s o c ，1 9 7 7 ，6 0 ：4 9 1 5 d p h h a s s e l m a n o r a m c e r m a s o c 。1 9 6 9 ，5 2 ：6 0 0 6 0 4 6 肖诗刚刀其材料及其合理选择北京：机械工业出版社( 第二版) ，1 9 9 0 4 7 r k o s s o w s k y j m a t e r s c i ，1 9 7 3 ，8 ：1 6 0 3 8 a j m o u l s o n d m a t e r s c i ，1 9 7 9 ，1 4 ：1 0 1 7 9 ，k l f l e n a ，d a m c e r m a s o c , | 9 9 2 7 5 ：2 8 3 5 1 0 c d g r e s k o v i c he ta 1 z a m c e r m a s o c ，1 9 7 6 ，5 9 ：3 3 6 1 1 t k o i c h ij a m c e r m as o c ，1 9 8 8 ，7 1 ：1 6 7 1 6 9 1 2 g z i e g i e r e ta 1 j m a t e r s c i ，1 9 8 7 , 2 2 ：3 0 4 1 3 0 8 6 1 3 g z i e g i e r j a m c e r m a s o c , 1 9 8 1 ，6 4 e 一3 5 1 4 m m i t o m oe ta 1 j = a m c e r m a s o c ，1 9 9 2 ，7 5 ：3 1 4 山东大学硕士学位论文 1 5 1 6 1 7 1 8 m a t i nr h a r m e r , h m c h a na n d g a m i l l e r j a m c e r m a s o c ，19 9 2 ， 7 5 1 7 1 ：1 7 1 5 - 1 7 2 8 e c o t h e ra n de h o d g s o n ，t r a n s j b r c e r m a s o c ，1 9 8 2 ，8 1 ：1 4 1 1 4 4 k n i i h a r a ，t h i r a i s e r a m i k k u s u 1 9 8 6 ，2 6 ：5 9 8 金望用杰谟s i 3 n 4 s i c 纳米复合陶瓷的制备、结构和性能功能材料，1 9 9 8 2 5 ( 5 ) 1 9 徐永东，张立同，韩金探高温结构陶瓷材料的设计准则，1 9 9 7 ，3 2 0 贾德昌，周玉陶瓷材料抗热震性的研究材料科学与工艺1 9 9 3 1 2 ，l ( 4 ) 2 1 周玉陶瓷材料科学哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 5 2 2 2 赵军，艾兴，张建华，邓建新，黄传真对称型梯度功能陶瓷材料抗热震性的 研究中国陶瓷，2 0 0 2 4 ，3 8 ( 2 ) 2 3 仇启源新型陶瓷刀具国防工业出版社，1 9 8 7 8 2 4 张清纯陶瓷材料的力学性能北京，科学出版社1 9 8 7 2 5 贾德昌，周玉陶瓷材料抗热震性的研究材料科学与工艺，1 9 9 3 1 2 ，1 ( 4 ) 2 6 陈景先2 1 世纪的新材料纳米材料世界有色金属，1 9 9 9 1 2 7 赵军，艾兴，张建华，邓建新，黄传真对称型梯度功能陶瓷材料的非定常热应 力机械工程学报，2 0 0 1 1 1 ，3 7 ( 1 1 ) 2 8 王昕，孙康宁，尹衍升等纳米复合陶瓷材料研究进展陶瓷材料学报，1 9 9 9 ， 1 6 ( 1 、：1 0 6 - 1 1 0 2 9t a nh l ，y a n gw t o u g h e n i n g m e c h a n i s m so f n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c s m e c h a n i c so f m a t e r i a l s 1 9 9 8 3 0 ：1 1 1 1 2 3 1 4 山东大学硕士学位论文 第2 章陶瓷构件形状和尺寸对抗热震性的影响 在各种工程领域中，陶瓷应用及其广泛，其产晶形状也有管、环、棒、梁、板 等。许多承受热冲击的陶瓷结构件是圆柱体形状的，如汽车发动机的陶瓷电热塞、 火花塞绝热器、热处理炉的氧传感器、热电偶保护管以及许多高频陶瓷件等。由于 陶瓷结构件的形状对其瞬态热传导及瞬态热应力有重要的影响，从而直接其抗热震 性能，所以传统的基于无限大平板的抗热震参数不能准确地评价陶瓷圆柱体的抗热 震性能。作为陶瓷刀具的刀片形状方面也有方形、圆形、带孔和不带孔等多种规格。 另外一些陶瓷研磨球、用于冶炼高温转化器内耐火瓷球及微晶a 1 2 0 3 研磨介质等都 是球型。因此研究不同的陶瓷构件的形状及尺寸对其性能的影响是有重要意义的。 2 1 无限大平板的抗热震分析 2 1 1 第三类边界条件下的非常定热传导解析 x ，y 生l ：o ( a ) 无限大平板模型( b ) 简化的模型 图2 - 1 无限大陶瓷平板 图2 1 a 所示为一厚度为2 r m 的无限大陶瓷平板。和兀分别是初始温度和周围 介质的温度，h 是对流换热系数，材料的导热系数、比热和密度分别为旯、c 和p 。由 于结构对称，所以可将模型简化为图2 一l b 所示的型式，只研究其上半部分。这种第 三类边界条件的热传导问题的数学描述为 山东大学硕士掌位论文 o ta 2 t 百钏可 乱- o ，一五乱钟训 陋， t ( z ，0 ) = t o 式中，n 为材料的导温系数。 为了后面推导方便，对z ，t 和r 做无量纲处理如下 则式( 2 1 ) 可改写为 f2 _ 嘶，= 警= 净 ( 2 - 2 ) c 3 va 2 v 瓦2 可 氛一o ，一现一 亿s ， y g ，o ) = 1 式中，b = h r 卅组为b i o t 模数。 采用分离变量法求解上述具有齐次边界的线性齐次定解问题，得级数解 峨冲喜赭鬻铲 式中，离散值是下列超越方程的根 。t g t 。= b( 2 5 ) a l a 东大学硕士学位论文 2 1 2 非常定热应力解析 在平板冷却过程中，由于z 方向司以自由收缁，所以啦2 0 。根粥j 义虎克足律， 可得到 o xz ，r ) = o - y ( z ，f ) = 击沌r ) 一口i t ( z ) 一瓦】 = 击一a r ) 一v o l ( 2 - 6 ) 式中，d f ) 是应变，e ，瘌蚜别是材料的弹性模量、泊松比和热膨胀系数a 根据式( 2 2 ) ，可将式( 2 6 ) 改写为 吒= 而e 叠( r ) 一跳r 矿一l 】 ( 2 - 7 ) 由于在热冲击过程中该板伸缩自由，弯曲受约束，则其边界上满足 n g ，r 弦= 0 ( 2 - 8 ) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) ，得到 占) = 叫胙啦一， ( 2 - 9 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 7