（机械制造及其自动化专业论文）梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 本文在纳米陶瓷刀具材料的基础上引入梯度功能概念，成功制备出新型的 a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具材料。研究了其力学性能、微观结构、压痕裂纹扩展形 态。采用有限元法对其抗热震性能和切削过程进行了仿真研究，并通过3 1 6 l 不锈 钢切削试验，研究了a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具的切削性能及失效机理。 通过合理选择制备工艺参数，当基体a 1 2 0 3 的体积含量为5 4 、t i c n 含量为 4 5 、m g o 和n i o 各为5 时，在烧结温度1 6 5 0 、烧结压力3 0 m p a 、保温时间 1 0 m i n ，获得综合性能较好的梯度纳米复合陶瓷材料，抗弯强度为8 1 0 m p a 、硬度 1 9 5 g p a 、断裂韧性6 6 m p a m 忱。断口微观结构分析表明，梯度纳米复合陶瓷刀具 为主要以穿晶断裂为主；在压痕扩展路径上存在裂纹偏转、桥联和裂纹分叉现象， 这些都有利于提高材料的力学性能。 采用有限元软件a n s y s 仿真了a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具材料的瞬态温度场 及热应力场，分析了层厚比、体积分数组成等结构参数对抗热震性的影响。通过 仿真研究优化了梯度结构参数。 采用有限元软件d e r o r m 2 d 对a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具切削加工3 1 6 l 不 锈钢的过程进行建模和仿真，研究了温度场、应力场、切削力与切削速度的关系。 结果表明：a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具温度随着切削速度的增加而增大，切削温度 低于均质陶瓷刀具；刀具应力随着切削速度的增加也增大，在较大速度范围内比 均质陶瓷刀具应力小。切削力随着削速度的增加而减小，与均质陶瓷刀具相比， 切削力相差不大。 通过连续切削3 1 6 l 不锈钢，研究了a 1 2 0 3 基梯度纳米复合刀具的切削力、切 削温度及刀具失效机理。；0 h i3 1 6 l 不锈钢时，随着切削速度升高，主切削力减小， 切削温度升高。在相同的试验条件下，梯度纳米陶瓷刀具的使用寿命优与其他陶 瓷刀具。较低速度下，刀具的失效形式主要以前、后刀面磨损及微剥落为主，磨 损机理是磨粒磨损，剥落由机械疲劳造成；较高速度下，刀具的失效形式主要以 前、后刀面磨损以及边界磨损为主，磨损机理是磨粒磨损和粘结磨损。 v l jj 东大学硕十学位论文 关键词：纳米复合；梯度复合；陶瓷刀具；抗热震性：失效机理 本课题得到国家“9 7 3 计划( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 2 ) 及国家自然科学基金( 5 0 8 7 5 1 5 6 ) 资助。 v l a b s t r c t a b s t r a c t b yi n t r o d u c i n gf u n c t i o n a l l yg r a d e dc o m p o s i t ei n t on a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o l m a t e r i a l ，f i l la 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn 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 sf a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r ea n df r a c t u r ee x t e n s i o np a r e m o ft h ec e r a m i c sw e r es t u d i e d t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ea n dc u r i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d b yf e m b yc u r i n ga i s l 3 16 l ，c u r i n gp e r f o r m a n c ea n df o o lf a i l u r em e c h a n i s m sw e r e d e t a i l e ds t u d i e d w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o n so fa 1 2 0 3 ，t i c n ，m g oa n dn i oa r e5 4 ，4 5 ，5 a n d 5 ，a 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn a n o - c o m p o s i t ec e r a m i c 、i ms t r e n g t ho f8 10m p a , h a r d n e s s o f19 5 g p aa n dt o u c h n e s so f6 6m p a m 忱c a nb eo b t a i n e db yh o t p r e s ss i n t e r i n gu n d e r t h et e m p e r a t u r eo f16 5 0 c ，p r e s s u r eo f3 0 m p aa n dh o l d i n gt i m eo f10m i n u t e s t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ea 1 2 0 3 t i c n g r a d e dn a n o - c o m p o s i t e c e r a m i ci sm a i n l y c h a r a c t e r i z e db yt r a n s g r a n u l a rf r a c t u r e ；t h ec r a c kd e f l e c t i o n ，c r a c kb r i d g i n ga n dc r a c k b r a n c h i n gi nt h ec r a c ke x t e n s i o np a t ha l s oc o n t r i b u t et ot h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c eo fa 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn a n o c o m p o s i t ec e r a m i cw a s s i m u l a t e du s i n ga n s y s t h ei n f l u e n c eo fl a y e r - t h i c k n e s sr a t i oa n dc o m p o s i t i o n a l d i s t r i b u t i o no nt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ew e r ea n a l y z e d ，a n dc o n s e q u e n t l yt h eg r a d e d s t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r eo p t i m i t e d t h ec u r i n gp r o c e s so fa 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn a n o - c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lw h e n m a c h i n i n ga i s l 3 16 lw a ss i m u l a t e db yd e f o r m - 2 d t h ei n f l u e n c e so fc u r i n gs p e e d o nc u r i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a ls t r e s sf i e l da n dc u r i n gf o r c ew e r es t u d i e d w i t h t h es p e e di n c r e a s e d ，t h et o o lt e m p e r a t u r ei sh i g h e r c o m p a r e dw i t hh o m o g e n e o u s c e r a m i ct o o l s ，i th a sg o o dt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e w i t ht h es p e e di n c r e a s e d ，t o o ls t r e s s a l s oi n c r e a s e d t h et o o ls t r e s si sl o w e rt h a nh o m o g e n e o u sc e r a m i ct o o l sa th i g hc u r i n g s p e e d s t h ec u t t i n gf o r c ed e c r e a s e d 谢mt h es p e e di n c r e a s e d ，w h i c hi se q u v i l e n t t ot h a t o fo t h e rc e r a m i ct o o l s a sf o rt h em a c h i n go fa i s l 316 ls t e e l ，c u r i n gf o r c e ，t e m p e r a t u e ，t o o lf a i l u r e m e c h a n i s m so fa 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lw e r es t u d i e d t h e c u r i n g f o r c ed e c r e a s e da n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dw i t ht h e s p e e d i n c r e a s e d v i i 山东人学硕十学位论文 a 1 2 0 3 t i c ng r a d e dn a n o - c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lh a sl o n g e rl i f et h a no t h e rc e r a m i c t o o l su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n n em a i nf a i l u r em o d ei sr a k ew e a l , f l a n kw e a ra n d s p a l l i n gw h e ns p e e di sl o w , b e c a u s eo fa b r a s i v ea n dm e c h a n i c a lf a t i g u e t h em a i n f a i l u r em o d ei sr a k ew e a r , f l a n kw e a ra n dn o t c hw e a rw h e ns p e e di sh i g h ，b e c a u s eo f a b r a s i v ea n da d h e s i v e k e yw o r d sn a n o c o m p o s i t e ；g r a d e dc o m p o s i t e ，c e r a m i ct o o l s ，t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c e ，f a i l u r em e c h a n i s m s v 1 1 i t h i st h e s i si s s u p p o r t e db y t h e9 7 3 p r o g r a m ( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 2 ) a n d t h e n s f c ( 5 0 8 7 5 15 6 ) 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。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：狱札 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：鍪热导师签名：日期：业厂 绪论 第1 章绪论 1 1 陶瓷刀具材料的研究现状 现代陶瓷刀具材料多为复相陶瓷，系采用各种各种超细氧化物、碳化物、氮 化物和硼化物等为基本组分，根据不同的增韧补强机理进行微观结构设计，添加 一定比例的一种或几种增强相后烧结而成。其中，a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 系以及s i m o n 是主 要的三类陶瓷刀具材料。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 、t i ( c n ) 、 w c 、m 0 2 c 、z r 0 2 、b 4 c 、z r b 2 、t i ( b n ) 等。 目前，国内外已经开发成功并商品化的陶瓷刀具有上百种。其中，国外形成 商品化的a 1 2 0 3 系陶瓷刀具达3 0 余种【1 】；在美国、德国、日本，s i 3 n 4 系陶瓷刀具 发展较快，形成了2 0 多个品种。在国内，山东大学、清华大学、成都工具研究所、 上海硅酸盐研究所等单位在陶瓷刀具的研究方面处于领先地位，开发了多种舢2 0 3 系和s i 3 n 4 系【2 ，3 1 陶瓷刀具，比较典型的牌号有l t 5 5 、s g - 4 、j x 1 、j x 2 、l p 1 、 l p 2 、f g 1 、f g 2 、s m 、f t 8 0 等卜7 】。虽然陶瓷刀具材料已商品化并广泛使用， 但脆性大、韧性低、抗弯强度不高、抗热震性能欠佳等缺点一直制约着陶瓷刀具 的发展p 1 。 通过对陶瓷刀具材料进行纳米改性，使陶瓷刀具材料强度明显提高。而梯度 功能材料具有优异的隔热、防热和缓解热应力的功能，将使高速切削过程中刀具 材料热冲击断裂和热破损问题得到改善，同时很好地解决金属和陶瓷强行匹配而 引起的粘结强度低和热膨胀失配等问题。 将纳米复合陶瓷材料与梯度功能材料二者优点结合，将会给陶瓷刀具材料带 来更广阔的发展空间，陶瓷刀具材料也将在未来的切削加工中扮演更为重要的角 色。 1 2 陶瓷刀具材料的增韧补强机理 1 2 1 颗粒弥散增韧 颗粒弥散增韧主要是在陶瓷基体中加入高弹性模量的第二相粒子，颗粒在基 山东大学硕十学何论文 体材料拉伸时阻止横向截面的收缩。要达到和基体相同的横向收缩，必须增加纵 向拉应力，从而具有强化效果。增加外界拉应力就使材料消耗更多的能量，因而 具有增韧效果。此外，颗粒对裂纹的钉扎作用和使裂纹产生的偏转效应，也都能 起到增韧作用。颗粒弥散增韧不受温度影响，因此可作为一种高温增韧机制。 a 1 2 0 3 t i c ，a 1 2 0 3 t i n ，a 1 2 0 3 t i c 等陶瓷刀具材料均采用了颗粒弥散增韧来提高材 料的断裂韧性，其增韧幅度不大【9 1 1 1 。 1 2 2 相变增韧 相交增韧陶瓷刀具材料的增韧机理主要包括应力诱导相变增韧和微裂纹增 韧，目前研究较多的是应力诱导相变增韧主要利用四方z r 0 2 马氏体相变来改善陶 瓷材料的韧性，表达为【1 2 】： 从7 = a e c c r v 4 z , ( 1 - 1 ) 式中，k r 应力诱导相变增韧大小； 彳小于l 的常数； 艮一加入z r 0 2 后复合材料的弹性模量； 7 z r 0 2 在自由状态的相变应变； v 可产生应力诱导相变t - z r 0 2 体积分数； 矿相变宽度。 该增韧机制的主要特点是增韧幅度大，可使材料的断裂韧性提高2 5 倍，但 增韧效果随温度的升高而急剧下降，约在8 0 0 0 c 以上完全失效。微裂纹增韧主要 是利用z r 0 2 相变产生的的体积膨胀在基体内产生微裂纹或微裂纹区。当主裂纹进 入微裂纹作用区后，诱发一系y u d , 裂纹，产生新的断裂表面，从而吸收主裂纹扩 展的能量。微裂纹增韧效果为【1 2 】： 刖- - - - 4 2 7 e m z ) ( 1 2 ) 式中，肟一裂纹面密度； 驴一微裂纹区的大小； 弘卜分别为复合材料弹性模量和断裂表面能。 微裂纹增韧同时伴随着强度的降低，关键是控制微裂纹的尺寸，使之不能超 过材料所允许的临界裂纹尺寸，否则将成为宏观裂纹。微裂纹增韧不受温度的影 2 绪论 响。 相变增韧的陶瓷刀具材料与颗粒增韧的陶瓷刀具材料相比，增韧幅度大，但 硬度低，制造工艺复杂，价格较高。并且由于应力诱导相变增韧的增韧效果随温 度的升高而急剧下降，因而该类陶瓷刀具不适于高速切削的场合，其应用范围受 到了一定的限制1 1 3 15 1 。 1 2 3 晶须增韧 晶须增韧陶瓷刀具材料的增韧机理主要有：拔出效应、桥接增韧、裂纹偏转 增韧和微裂纹增韧【7 , 1 6 。 ( 1 ) 拔出效应 晶须在外界载荷作用下，从基体中拔出，因界面摩擦消耗外界的能量而达到 增韧的目的。增韧效果受晶须和基体界面滑动阻力的影响。晶须和基体界面必须 有足够的结合力，以使外载能有效地传递给晶须，但结合力不能太大，以保证足 够的拔出长度。当晶须与基体不存在热胀失配时，拔出效应不随温度升高而变化， 因而是一种高温增韧机制。 ( 2 ) 桥接增韧 在基体断裂后，晶须承受外界载荷并在断开的裂纹面之间桥接。桥接的晶须 在基体中产生使裂纹闭合的应力而消耗外界载荷所做的功，从而提高了材料韧性。 桥接增韧也是一种高温增韧的重要机制。 ( 3 ) 裂纹偏转增韧 考虑裂纹非平面断裂效应的一种增韧机理。当裂纹尖端遇到弹性模量比基体 大的第二相时，裂纹偏离原来前进的方向沿两相界面或在基体内扩展。这种非平 面断裂有着比平面断裂更大的断裂表面，因而能吸收更多的能量，从而起到增韧 的作用。在基体内加入高弹性模量的晶须及颗粒，均存在裂纹偏转增韧机制，该 增韧机制也是高温增韧的有效方法之一。 1 2 4 各种增韧机理的协同作用 陶瓷刀具材料的增韧补强可以是多种机制的协同作用。比如a 1 2 0 3 t i c z r 0 2 陶瓷刀具材料，其增韧机制为颗粒增韧与相变增韧的协同作用 1 4 , 1 7 】； s i 3 n 4 t i c s i c w 、a 1 2 0 3 t i b 2 s i c w 和a 1 2 0 3 s i c k t i c 等陶瓷刀具材料其增韧机制均 3 山东大学硕十学何论文 为颗粒增韧与晶须增韧的协同作用【2 , 3 , 1 8 , 1 9 1 ；a 1 2 0 3 z r 0 2 s i c w 陶瓷刀具材料其增韧 机制为相变增韧和晶须增韧的协同作用【2 0 ，2 。 协同增韧机制较单一增韧机制的陶瓷刀具材料在断裂韧性上要提高许多，并 且具有很好的综合物理机械性能，是陶瓷刀具材料的发展方向，目前在国内外已 开发的品种不多。 1 2 5 纳米强韧化 由于表面效应、尺寸效应、体积效应和量子效应等纳米效应，纳米陶瓷材料 可以大幅度提高其硬度和强度【2 2 2 3 1 。目前，纳米陶瓷及纳米复合陶瓷刀具已成为 高技术陶瓷材料研究开发的一个前沿领域。 纳米效应不但大大降低了纳米陶瓷的烧结温度，而且极大的增强了纳米陶瓷 的强度和韧性。具体来说，纳米复合陶瓷材料的强度和断裂韧度之所以较基体有 大幅度提高主要得益于纳米增强颗粒的如下作用【2 4 】： ( 1 ) 细化基体组织结构，抑制晶粒异常长大； ( 2 ) 在复合材料内部产生微裂纹，提高复合材料的断裂韧度； ( 3 ) 在晶粒内产生亚晶界，使基体再细化而产生增强作用； ( 4 ) 产生残余应力，使穿晶断裂成为主要破坏形式； ( 5 ) 高温时阻止位错运动，提高了耐高温性能； ( 6 ) 纳米颗粒与基体形成共格关系而牢固结合，强化了晶界； ( 7 ) 控制弹性模量、热膨胀系数等参数可提高材料强度和韧性； ( 8 ) 控制晶界成分、结构和晶界应力以获得高强度的界面。 吕志杰【2 】等采用纳米增韧成功研制了高性能s i 3 n 4 t i c 纳米复合陶瓷刀具材料， 其抗弯强度达1 0 2 5 m p a ，断裂韧性达8 5 m p a m 忱。 1 3 陶瓷材料抗热震性研究 1 3 1 陶瓷材料抗热震理论概述 由于陶瓷材料在热冲击作用下容易损伤甚至断裂，因此陶瓷材料抗热震性能的 研究一直是材料科学领域研究的热点问题。到目前为止，评价材料抗热震性能的 4 绪论 理论主要有以下几种【2 5 2 6 1 。 ( 1 ) 临界应力断裂理论【2 7 2 8 】：基于热弹性理论，以热应力和材料固有强度之 间的平衡条件作为判断热震断裂的依据，当温度急变引起的热冲击应力超过了材 料的固有强度，则发生瞬时断裂，即热震断裂。 ( 2 ) 抗热震损伤理论2 9 】：基于断裂力学理论，分析材料在温度变化条件下的 裂纹成核、扩展及抑制等动态过程，以热弹性应变能和材料的断裂能之间的平衡 条件作为判断热震损伤的依据，当热应力导致的储存于材料中的应变能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。 ( 3 ) 抗热震断裂和热冲击损伤的统一理论3 0 3 1 】：h a s s e l m a n 为弥补临界应力断 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，将二者结 合起来，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。 ( 4 ) 热冲击中的应力强度因子理论吲：假设材料的临界应力强度因子( 即材料 的断裂韧) 是衡量裂纹产生和终止的标志。当全部的应变能转变为断裂能，或裂纹 尖端的应力强度因子等于或小于材料的临界应力强度因子时，便认为裂纹的快速 扩展终止了。 1 3 2 陶瓷刀具材料抗热震机理研究 ( 1 ) 微裂纹机制p 引。在陶瓷材料中引入一定密度的显微裂纹，可以显著提高 材料的韧性，进而提高材料的抗热震损伤性能。 ( 2 ) 裂纹尖端尾流区的增韧机制。主要有增强相的拔出和桥联裂纹的偏转。 k n e h a n s 等人例通过比较带机加工尖锐切口和扩展的尖裂纹材料的韧性值发现，两 者的韧性值有差别，他们认为裂纹尾流区的摩擦桥联机制是造成这种差别的原因。 ( 3 ) 相变增韧p 5 1 。主要是利用z r 0 2 的t _ m 相变体积膨胀效应在材料中产生微裂 纹，吸收多余的能量，同时微裂纹的存在也降低了材料的弹性模量，从而提高了 抗热震能力。 ( 4 ) 材料表面的残余压应力机制3 6 1 。对经过1 4 5 0 。c 空气中氧化后的s i c a 1 2 0 3 复合材料抗热震性的研究发现：氧化后的复合材料的抗热震性能远高于氧化前的 抗热震性，其主要原因是表面氧化层的存在极大改变了表面的传热系数，从而提 5 山东大学硕十学位论文 高了材料的抗热震性；另外材料经过氧化处理后，表面层处于残余压应力状态， 当试样处于热震环境中时，表面的残余压应力将抵消部分张应力，从而有利于材 料抗热震性能的改善。 1 3 3 陶瓷刀具材科抗热震性能研究 1 3 3 1 陶瓷刀具材料抗热震性能的测试 陶瓷材料抗热震性能测试方法很多，按产生温差的方式可以分为两类： ( 1 ) 急冷法。急冷法是将试样加热到一定的温度，并保温一定的时间，使得炉 温与试样的温度达到平衡，然后予介质中淬火，通常的淬火介质有水、液态合金、 液氮乙醇等。急冷法包括强度一衰减法和压痕淬火法两种。 ( 2 ) 急热法。急热法按照加热方式的不同可分为圆盘中心加热法、红外加热与 强气流淬火法、热气流喷射法、激光加热法等3 7 1 。其中，激光热冲击法主要通过 激光局部加热试样表面后空冷，同时对声发射信号( a e ) 进行检测，通过大量试验 以确定材料表面发生裂纹的临界激光能密度( 热流密度) ，用它作为评价梯度功能 材料抗热震性的参数，试验设备原理如图1 1 所示。 图l l 激光热冲击试验设备 1 3 3 2 梯度功能陶瓷的抗热震性能研究 梯度功能材料( f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l s ，简称f g m ) 是指构成材料 的要素( 组成、结构) 沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使 材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料【3 8 1 。 在金属的断续切削过程中，刀具要承受交变的机械载荷和热冲击。由于陶瓷 刀具材料强度、韧性和导热率较低，而线膨胀系数较高，导致其较低的抗热震性， 6 绪论 在切削过程中容易导致刀楔内很高的温度梯度及热应力梯度，从而发生破损。对 称型f g m 陶瓷刀具是在保证陶瓷刀具材料高的硬度、耐磨性和耐热性等优点的前 提下，其组分、显微结构及物理力学性能由表及里呈合理的梯度变化的新型陶瓷 刀具材料1 3 9 柏】。它具有比均质陶瓷刀具高的强度、韧性及热冲击性能、能满足高 速切削加工的苛刻要求。目前已经开发的a 1 2 0 3 t i c 系及a 1 2 0 3 ( w , t i ) c 系1 4 1j 梯度 功能陶瓷刀具，表层具备较大的导热系数和较小的热膨胀系数，有利于切削热的 传出，而且表层形成压应力可抵消切削过程中的拉应力，有良好的抗热震性，适 于高速切削及断续切削淬硬钢和铸铁。 赵军【4 2 4 3 1 等人通过求解第三类边界条件下无限大对称型梯度功能材料平板的 瞬态温度场及瞬态热应力场，研究了对称型f g m 陶瓷的热冲击行为，建立了引起 无限大对称型梯度功能材料平板表面临界热应力的临界温差瓦的表达式，以此作 为对称型f g m 陶瓷的抗热震参数，并通过计算实例及与均质陶瓷材料对比，分析 了材料的热物理性能分布规律对其抗热震性能的影响。 1 4 金属切削有限元仿真研究 刀具在切削加工这个时变的、非线性的系统当中，不仅受到机床、夹具、切 削液以及外部条件的影响，并且与切屑、工件之间的接触形成复杂的热力耦合强 应力场。一直以来，学者们试图采用更严谨的理论建立接近于实际切削过程的数 学模型，以便于得到刀具加工过程的全面分析。但现有的基础理论以及传统的解 析方法无法实现全面的定量分析，更无法求解复杂的数学模型。计算机有限元模 拟技术的迅速发展使解决这一问题变为现实，d e f o r m 、a b a q u s 、a n s y s 、 m a r c 等大型有限元分析软件在模拟刀具切削加工过程中被广泛应用。 近年来国际上对金属切削加工的有限元模拟更加深入。日本的s a s a h a r a 和 o b i k a w a l 4 4 1 弹塑性有限元方法，忽略温度和应变速率的效果，模拟了低速连续切削 时被加工表面的残余应力和应变；美国o h i o 州立大学n e ts h a p em a n u f a c t u r i n g 工 程研究中心的t a l t a n 教授与意大利b r e s c i a 大学机械工程系的e c e r e t t i 合作，对 切削工艺进行了大量的有限元模拟研究【4 引。澳大利亚的悉尼大学的l i a n c h i z h a n g 4 9 1 和美国a u b u r n 大学的j m h u a n g ，j t b l a c k l 5 0 1 对有限元分析j 下交切削工 7 1 1 i 东大学硕十学位论文 艺中的切屑分离准则做了深入研究。台湾科技大学的z o n e c h i n gl i n t ”j 等人在对 n i p 合金的正交超精密切削中切削深度和切削速度对残余应力的影响时，模拟前对 单向拉伸实验数据进行回归分析，得出材料的流动应力公式，考虑切削加工中的 热力耦合效应，建立了热弹塑性有限元模型。国内的相关研究正处于起步阶段。 可以看出在切削加工模拟分析方面，研究大多集中在考察工件残余应力、切 屑的流动分离上，而以刀具作为研究对象的热力耦合分析较少。 1 5 存在的问题 陶瓷刀具材料的脆性、抗热震性能不高一直是限制其使用范围的关键因素。 近年来各国学者一直致力于开发和完善陶瓷刀具材料，取得一些成果的同时仍然 存在许多问题： ( 1 ) 围绕着如何改善材料脆性、增强韧性和提高强度提出了多种增韧补强机 理，使陶瓷刀具材料的强度和韧性有了明显提高，但仍然无法彻底解决陶瓷的脆 性问题。 ( 2 ) 刀具材料的微观结构及强韧化机理对其切削性能有重要影响，需要进一 步研究纳米复合陶瓷刀具材料的强韧化与切削性能的关系。 ( 3 ) 梯度功能陶瓷刀具材料抗热震性能研究仍不深入，而热疲劳性能研究几乎 是空白。 1 6 本课题研究的目的意义及主要内容 1 6 。1 本课题研究的目的意义 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纳米复合陶瓷材料等的发展。 8 绪论 1 6 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 舢2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备、微观结构分析以及力学性能。 ( 2 ) a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的抗热震机理，影响抗热震性能的因 素以及热震条件下温度场及热应力场有限元仿真研究。 ( 3 ) a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的切削加工有限元仿真研究。 ( 4 ) a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料切削性能及刀具失效机理研究。 9 第2 章a i ：0 ，幕梯度纳米复合陶瓷，j 只材料的制备、力学t 牛能及微观结构 第2 章a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能及 微观结构 纳米材料作为一种新型的材料，已经成为2 1 世纪材料科学研究的热点。同时 陶瓷刀具材料的迅速发展，为现代切削加工的进步注入了助推剂。因此，提高和 完善陶瓷刀具材料性能，成为亟待研究的课题。通过纳米粉体对微米级材料进行 纳米改性，可以使纳米改性的材料具有更高的强度和更低的烧结温度【5 2 】；将纳米 复合与梯度复合两种机制相结合，则为陶瓷刀具材料性能的提高开辟了更为广阔 的空间。 2 1a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备 2 1 1 材料预处理 材料制备所用粉体的物理性能如表2 1 所示。 表2 1 陶瓷粉末的物理性能 t i c n 粉末在使用前需要进行湿式球磨，时间为1 2 0 小时。球磨过程采用无水 乙醇作为球磨介质，y g 类硬质合金球作为磨球。球磨完毕在真空干燥箱干燥，然 后将干燥后t i c n 粉末进行过1 2 0 目筛处理，封存备用。 2 1 2a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备 a 1 2 0 3 基体由粒度0 5 9 m 的a 1 2 0 3 和0 1 9 m 的a 1 2 0 3 粉末组成，体积含量分别 为8 0 v 0 1 和2 0 v 0 1 。然后在a 1 2 0 3 基体加入一定含量的t i c n 粉末，制备出均匀 纳米复合陶瓷粉体材料，采用对称梯度结构装模，在不同烧结工艺参数下进行热 压烧结，研究各因素对梯度纳米复合刀具材料力学性能的影响。表2 2 是本文对称 梯度纳米复合刀具材料的组分配比。 表2 - 2 a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷材料掘分配比( v 0 1 鳓 材料献 a 1 2 0 ，基体 c n助烧剂 t 4 5 a 5 5 5 9 t 3 5 a 6 s 3 0 烧结工艺参数如下：烧结温度( 1 6 0 0 1 7 0 0 ) 。c 、保温时间( 1 0 3 0 ) m i n 、烧 结压力3 0 m p a 、烧结气氛为流动氮气。制备的a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷材料主 要为3 层、5 层的对称梯度结构，如图2 - 1 、图2 - 2 所示。 幽2 - 13 层对称梯度结构 闰2 - 25 层对称梯度结构 蘸零 p 1 黪，： 。；，! 臣： 1 ；r 曰2 - 33 层对称梯度纳米陶瓷材料横截面( 标尺：l m m ) 第2 章a i 二0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学件能及微观结构 其中图2 1 、图2 2 中每一梯度层材料均为表2 2 中纳米复合材料组成。图2 1 中定义了所制各材料结构参数层厚比e = a b 。图2 3 为3 层对称梯度纳米复合材料 横截面。 2 2a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能 2 2 1 力学性能测试 2 2 1 1 陶瓷刀具材料的力学性能测试方法 抗弯强度、硬度和断裂韧度是影响刀具材料切削性能的主要因素。本文将分 别从这三个方面研究所制备的梯度纳米复合陶瓷刀具材料的性能。 ( 1 ) 抗弯强度 陶瓷材料抗弯强度测试参照国家标准g b 6 5 6 9 1 9 8 6 工程陶瓷弯曲强度试验 方法进行5 3 1 ，试样尺寸为3 x 4 x 3 6 m m ，要求相对的面互相平行，相邻面互相 垂直。抗弯强度计算公式为： o r ：罢( 2 1 )= 1 i z i ) 2 b h 2 、 式中，o 弯曲强度，m p a p 断裂时测得的最大载荷，n l 两支点之间的距离，m m b 试样宽度，n l i l l h - 式样高度，m m 试样强度取6 次测量的平均值。 ( 2 ) 硬度 硬度测试参照g b 厂r1 6 5 3 4 1 9 9 6 工程陶瓷维氏硬度试验方法【5 4 】进行，测试 设备为h v - 1 2 0 型维氏硬度计，用对面角为1 3 6 0 的金刚石四棱体压头施力n 1 9 6 n 的载 荷，保压时间1 5 秒。在光学显微镜下测量并记录压痕对角线的长度，由下面的公 式计算硬度值。 n v = 丁p s i n ( 0 2 2 ) ：丁p s i n ( 1 3 g 2 ) ：等 ( 2 - 2 ) 2 a 22 a 2 ( 2 a r 1 山东大学硕十学何论文 式中，h v - 一维氏硬度，m p a p 加压载荷( 此处为1 9 6 ) ，n 2 a 一压痕对角线的长度，m i l l 试样的硬度取6 次测量结果的平均值。 ( 3 ) 断裂韧度 材料断裂韧度的测量方法有压痕法、单边切口梁法、双扭法等。本文也选用 压痕法来测量试样的断裂韧度。在h v - 1 2 0 型维氏硬度计上用1 9 6 n 的载荷在试样的 抛光面上打上压痕，并用光学显微镜测量压痕和压痕裂纹的长度。由下面的公式 计算材料的断裂韧度： k 。c = o 2 0 3 眈卢石h v ( 2 - 3 ) 式中，k l 广断裂韧度，m p a m 1 尼 r 裂纹半长，r l l l t l a 压痕半长，i t i n l h v 一材料的维氏硬度，g p a 试样的断裂韧度值取6 次测量结果的平均值。 2 2 1 2a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料力学性能 在烧结温度1 6 5 0 0 c 、保温时间1 0 m i n 、烧结压力3 0 m p a 的烧结工艺条件下，本 试验制备出的对称梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其代号，只有表层添加了纳米 a 1 2 0 3 基体，如表2 3 所示。 1 4 第2 章a i ：0 3 幕梯度纳米复合陶瓷刀只材科的制备、力学件能及微观结构 表2 - 3a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料及其代号 对称梯度结构层数梯度纳米结构组分及代号 t 3 5 a 6 5 t 3 0 a 7 0 t 3 5 a 6 5 ( a t 31 ) t 4 0 a 6 0 t 3 0 a 7 0 t 4 0 a 6 0 ( a t 3 2 ) 3 层梯度 t 4 0 a 6 0 t 3 5 a 6 5 t 4 0 a 6 0 ( a t 3 3 ) t 4 5 a 5 5 t 3 5 a 6 5 t 4 5 a 5 5 ( a t 3 4 ) t 4 5 a 5 5 t 4 0 a 6 0 t 4 5 a 5 5 ( a t 3 5 ) t 5 0 a 5 0 t 4 0 a 6 0 t 5 0 a 5 0 ( a t 3 6 ) t 5 0 a 5 0 t 4 5 a 5 5 t 5 0 a 5 0 ( a t 3 7 ) t 4 0 a 6 0 t 3 5 a 6 5 t 3 0 a 7 0 t 3 5 a 6 5 t 4 0 a 6 0 ( a t 51 ) 5 层梯度 t 5 0 a 5 0 t 4 0 a 6 0 t 3 0 a 7 0 t 4 0 a 6 0 t 5 0 a 5 0 ( a t 5 2 ) t 4 5 a 5 5 t 4 0 a 6 0 t 3 5 a 6 5 t 4 0 a 6 0 t 4 5 a 5 5 ( a t 5 3 ) t 5 0 a 5 0 t 4 5 a 5 5 t 4 0 a 6 0 t 4 5 a 5 5 t 5 0 a 5 0 ( a t 5 4 ) 按照上述力学性能测试方法，分别对制备好的试样进行测试，其中硬度和断裂 韧度为表层数据，结果如表2 - 4 所示。 表2 4a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料力学性能( 3 层) i 卜 o 10 2 o 3 斑 o r , h v k i co b h v k i c o b h v k l c 材 ( m p a )( g p a ) ( m p a - m 1 彪) ( m a a )f g p a )( m p a - m 1 尼) ( m p a )( g p a )( m p w m l 瓣 i a t 3 1 、5 5 l1 6 15 26 6 71 6 35 36 8 8 1 6 55 8 a t 3 25 7 01 6 95 76 8 71 7 15 87 2 0 1 7 56 1 a t 3 37 1 71 7 66 07 2 51 7 86 17 7 11 8 16 2 a t 3 47 8 31 8 86 07 9 51 9 16 3 8 1 01 9 56 6 a t 3 58 2 51 8 46 18 3 21 8 76 68 4 01 9 16 8 a t 3 68 4 31 8 16 48 6 41 8 36 58 8 01 8 56 7 鼻矗3 18 6 31 7 86 38 7 81 8 16 49 0 5 1 8 4 6 6 1 5 山东大学硕十学位论文 表2 - 4 ( 续) a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料力学性能( 3 层) 卜 o 40 5 搏 o l , h v k i co b h v k l c 杉l( m p a ) ( g p a ) ( m p a - m 1 1( m p a )( g p a ) ( m p a m l q 茬蓼i a t 3 l5 5 l1 6 1 5 2 6 6 71 6 35 3 a t 3 25 7 0 1 6 95 76 8 71 7 15 8 a t 3 37 1 71 7 66 07 2 51 7 8 6 1 3 47 8 51 8 65 9 7 9 8j 9 06 4 a t 3 58 2 51 8 4 6 1 8 3 91 8 76 6 a t 3 68 4 3 1 8 16 4 8 6 41 8 36 5 a t 3 78 6 3 1 7 86 38 7 81 8 1 6 4 表2 5a 1 2 0 3 基梯度纳米复合陶瓷刀具材料力学性能( 5 层，e = o 3 ) 絮 抗弯强度o b 硬度h v 断裂韧度k i c 组分 ( m p a ) ( g p a )( m p a - m 1 尼) a t 5 18 2 8 1 8 56 4 a t 5 28 5 01 9 06 5 a t 5 38 3 01 8 4 6 3 峨5 48 0 91 8 36 7 由表2 - 4 、2 5 可见，3 层结构a 1 2 0 3 基对称梯度纳米复合陶瓷刀具材料a t 3 4 ， e = 0 3 时综合性能最好，5 层结构a t 5 2 综合性能最好，二者综合比较a t 3 4 综合性能 最好。 2 2 2 层厚比对材料性能的影响 以a t 3 4 梯度陶瓷材料为研究对象，层厚比e 分别对材料抗弯强度、硬度、断裂 韧度的影响，如图2 - 4 、2 5 、2 6 所示。 1 6 第2 章a 1 ：0 3 摹梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学件能及微观结构 $ 2 q 矗 鲁 - l 乏 号 。 瑙 例 酾， 静 辖 7 i1 1 2jj5 层厚比e 图2 _ 4 层厚比e 对材料抗弯强度的影响 j g “ 暑 盂 | 窆 百6 2 譬 憾 暴 蔷s 5 仉l0 2o j0 40 5 层厚比e 图2 5 层厚比e 对材料硬度的影响 10 20 , 30