（机械设计及理论专业论文）热挤压模具用工程陶瓷材料的研制及力学性能仿真.pdf

摘要 热挤压模具的工作条件十分恶劣，往往造成过早失效，而工程陶瓷 材料的高硬度、高强度、高耐磨、高耐热的优良特性却能够胜任这种苛 刻的环境，所以开发一种能够替代当前热作模具钢的陶瓷材料具有重要 意义。但陶瓷材料所固有的脆性却限制了它的应用，本文从陶瓷材料补 强增韧的角度进行了有益的探索。 本文基于人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) b p 算法利用 d e j p h i 程序语言开发出具有双向预测功能的陶瓷材料仿真系统，该系统 可以较精确的映射材料组分和力学性能之间的复杂关系，最大单项预测 误差为4 8 。仿真系统的开发为减少实验次数、充分掌握和了解材料 性能、有目的地合理开发新材料提供了可靠的依据。 研制成功a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c 系列复合陶瓷，力学性能比氧化铝 陶瓷均有大幅度提高，其中断裂韧性最高达9 4 4 m p a m 1 2 ，基本上能满 足热挤压模具的韧性要求。热压工艺条件为烧结温度1 7 0 0 ，保温时 问为3 0 m i n ，烧结压力2 8 m p a 。 通过对热挤压模具几种失效形式的分析得出课题所研究模具的失 效形式为冷热疲劳一机械疲劳所造成的疲劳断裂；对热挤压力进行了建 模计算，得出所研究工件工作时的热挤压力为7 4 8 k n ，为陶瓷模具有 限元分析提供了关键数据。 对陶瓷材料的脆性断裂机理进行了深入分析，为预防陶瓷零件失效 或不发生失效建立了各种应力条件下的寿命预测方程，并对陶瓷零件的 设计方法进行了几点总结。 对a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c 系列复合陶瓷的增韧机制进行了探讨，结 果表明，在氧化铝基体中通过加入碳化铬和碳化钨钛颗粒增强相后，复 合陶瓷烧结体的基体晶粒长大受到一定程度的抑制，晶界得到显著加 强，断裂模式则由原来单相纯氧化铝陶瓷的沿晶断裂转变为复合陶瓷的 穿晶断裂或沿晶和穿晶混合型断裂； 由应力分析得出，在 一i v a 1 2 0 3 c r3 c z ( w ，t i ) c 复合陶瓷中，裂纹的穿晶断裂是由于增强相和基 体之间热膨胀系数的失配而造成：弥散相c r 3 c 2 颗粒的增韧机制为残余 应力场机制，弥散相( w ，t i ) c 颗粒的增韧机制为裂纹钉扎增韧机制。 关键词热挤压模具；人工神经网络：仿真系统；复合陶瓷：增韧 一v 一 ：! j 釜丕主堡主堂皇迨耋 a b s t r a c t h o t e x t r u s i o nd i e sa r ea l w a y sd i s a b l e da h e a do fi t sn o r m a ls e r v i c el i f e b e c a u s eo fb a dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b u te n g i n e e r i n gc e r a m i c sa r ea d a p t e dt o s u c he n v i r o n m e n tb e c a u s eo fg o o dc h a r a c t e r i s t i co f h i g hh a r d n e s s ，h i g h s t r e n g t h ，h i g hw e a r p r o o fa n dh i g hh e a t p r o o fc a p a b i l i t y ，s oi t i s s i g n i f i c a n tt o d e v e l o pak i n do fc e r a m i cm a t e r i a li n s t e a do fh o t e x t r u s i o nd i es t e e l b u tt h e n a t u r a lb r i t t l e n e s so fc e r a m i cl i m i t si t sw i d ea p p l i c a t i o n ，s ot h ea u t h o rh a s s t u d i e dc e r a m i cf r o mt h ep o i n to fr e i n f o r c e m e n ta n dt o u g h e n i n g ad o u b l e d i r e c t i o np r e d i c t i n gs i m u l a t i o ns y s t e mo fc e r a m i cm a t e r i a lh a s d e v e l o p e db yu s i n gd e l p h ip r o g r a mb a s e d o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb p a l g o r i t h m i t c a n p r e c i s e l ym a p p i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm a t e r i a l c o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e m a x i m a l s i n g l ep a r tp r e d i c t i n g e r r o ri s4 _ 8 t h es i m u l a t i o ns y s t e mc a na f f o r dr e l i a b l ee v i d e n c eo f r e d u c i n g e x p e r i m e n t s ，r e a l i z i n g m a t e r i a l p r o p e r t i e s ，a n dd e v e l o p i n g n e wm a t e r i a l p u r p o s e f u l l y a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c s e r i e sc e r a m i cm a t r i x c o m p o s i t e s h a v eb e e n s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d a n di t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r eb e t t e rt h a n a 1 2 03c e r a m i c ，a b o v ea l l t h i n g s t h em a x i m a lf r a c t u r e t o u g h n e s s r e a c h e s 9 4 4 m p a m 1 佗a n dc o u l dm e e tt h ed e m a n d so fh o t e x t n a s i o nd i e s p r o p e r t i e s b ya n dl a r g e h pt e c h n o l o g y c o n d i t i o n sa r e17 0 0 。c ( s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e ) ， 3 0 m i n ( s i n t e r i n gt i m e ) ，2 8 m p a ( a p p l i e dp r e s s u r e ) b a s e do nf a i l u r ea n a l y s i so fh o t - e x t r u s i o nd i e ，t h ef a i l u r ef o r mo fs t u d i e d d i ei s f a t i g u e f r a c t u r em a d e b y c o l d - h o t f a t i g u e a n dm e c h a n i c a l f a t i g u e a c c o r d i n g t o m o d e l i n g c a l c u l a t i o no nh o t e x t r u s i o n d i e ，h o t e x t r u s i o n p r e s s u r ei s 7 4 8 k nw h e nt h es t u d i e dp a r ti s w o r k i n ga n di t i sak e yd a t af o r f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f c e r a m i cd i e c e r a m i cb r i t t l ef r a c t u r em e c h a n i s mi ss t u d i e da n ds e r v i c el i f ep r e d i c t i n g e q u a t i o n so fc e r a m i cp a r ta r ee s t a b l i s h e db a s e do na l lk i n d so fs t r e s si no r d e r t o p r e v e n tp a r t s f a i l u r e a tt h es a m et i m e ，d e s i g nm e t h o d so fc e r a m i c sp a r t a r es u m m a r i z e d 一v i t o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fa 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c s e r i e sc e r a m i cm a t r i x c o m p o s i t e si s s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tg r a i n s g r o w t ho f c o m p o s i t e sa r e r e s t r a i n e di nac e r t a i ne x t e n ta n dg r a i nb o u n d a r yi sr e i n f o r c e dp r o m i n e n t l yd u e t oa d d i t i v eo fc r 3 c 2a n d ( w ，t i ) cp a r t i c l e si na 1 2 0 3b a s e ，a n df r a c t u r em o d e c h a n g e s f r o m i n t e r g r a n u l a r f r a c t u r eo f s i n g l ep h a s ea 1 2 0 3 c e r a m i c st o t r a n s g r a n u l a r f r a c t u r eo rm i x t u r eo ft w of r a c t u r em o d ei n c o m p o s i t e s t r a n s g r a n u l a r f r a c t u r eo fm i c r o c r a c ki sm a d e b y o u to fb a l a n c eo f h o t e x p a n s i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e n r e i n f o r c i n gp h a s e a n dc e r a m i cb a s e a c c o r d i n g t os t r e s s a n a l y s i s t h et o u g h e n i n g m e c h a n i s mo f c r 3 c 2 p a r t i c l e d i s p e r s i n gp h a s e i sr e s i d u a ls t r e s sf i e l d m e c h a n i s m ，a n d t h e t o u g h e n i n g m e c h a n i s m o f ( w ，t i ) cp a r t i c l e d i s p e r s i n gp h a s e i s p i n n i n g m e c h a n i s m k e y w o r d sh o t e x t r u s i o nd i e ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；s i m u l a t i n gs y s t e m ； c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e ；t o u g h e n i n g v i i 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 究做出重要贡献的个人和集体，均已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：。熊选l 受 日期： 呈q q 生生垒旦 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：强迭互毫导师签名： 墨! ：! ! 日期：2 q q 璺生生旦 第1 章绪论 1 1 热挤压模具材料的性能要求及应用概况 热挤压加工是机械制造业中十分重要的加工方法之一，特别是近几 年随着精密挤压成形工艺的技术进步，热挤压加工工艺在机械制造业中 的地位日益加强i l 】。热挤压模具的工作条件十分恶劣，一般有以下特点： ( 1 ) 受热温度高、时间长：以挤压铜合金材料的气门嘴为例，坯料 加热温度在6 2 0 6 8 0 之间，而挤压速度相对较慢，挤压成型一件黄铜 气门嘴( h p b 6 3 - 0 1 ) 约需3 6 秒，因此挤压时模具表面温升可达6 0 09 c 以 上，导致模具软化。 ( 2 ) 急冷急热：挤压操作过程中，炽热的金属坯料不断放入模腔和 从模腔取出，模具还反复地受到冷却荆与润滑剂的冷却。工作中的模具 处于周期性的冷热交替状态，热疲劳裂纹易于萌生和发展。 ( 3 ) 受复杂应力作用：在工作条件下，模具同时受机械拉压应力与 热应力的作用，以及剧烈的冲击及表面摩擦，处于复杂的受力状态之中。 热挤压模具的失效形式也是多样的【2 1 。对于不同的条件，会出现软 化变形、早期断裂、热疲劳、热磨损等形式的失效。所以，热挤压模具 材料必须具备良好的综合机械性能，如热红硬性和热稳定性好，韧性较 高，热疲劳与热磨损抗力高等。 当前国内外应用的热挤压模具材料( 即高温热作模具材料) 大致可 分为四类：马氏体型热作模具钢、奥氏体型热作模具钢，高温合金及陶 瓷材料。马氏体型热作模具钢的主要特点是合金元素含量相对较低，成 本较低廉，具有较好的综合机械性能和工艺性能，在生产上得到广泛的 应用。而后几种材料的特点是比前者具有更好的高温强度，能在7 5 0 乃至更高的温度下及更高的应力条件下工作，但它们的合金含量很高， 价格很贵，往往缺乏良好的强韧性配合，而且工艺性能也较差，因而现 阶段在应用上受到不同程度的限制。现代科学技术的飞速发展不断对模 具材料提出更高的要求，因此新型的高温热作模具材料的研究与应用具 有理论与实践上的重要意义。 目前我国热作模具材料的研究与应用仍处于较落后的水平。许多从 事热挤压生产的企业不得不长期沿用落后钢种，每年消耗大量钢材，同 时也耗用大量能源、人力和设备加工模具，致使生产成本高，劳动生产 力低，严重阻碍了生产的发展。在我国有计划地进行新型热作模具材料 的研究与推广应用，促进生产发展已势在必行。 从长远观点来看，应着手进行先进模具材料如陶瓷材料的开发。陶 瓷材料的热稳定性和耐磨性极佳，是制造热挤压模具的理想材料，很具 有发展前景，但其韧性很差，因此还没有在热挤压模具方面得到广泛应 用。陶瓷材料的价格昂贵，而且用于生产也缺乏经验，但随着科学技术 的发展，制造工艺的改进及用量的增加，成本必定会下降，应用也必将 日臻广泛。可以预言，当工程陶瓷模具材料有朝一日在热挤压生产中开 始起主导作用时，我国的工业发展就进入了一个崭新的时代。 1 2 工程陶瓷概述 工程陶瓷【3 1 ( e n g i n e e r i n gc e r a m i c ) ，是指采用粉末冶金方法制得的 具有高强度、高硬度的应用于机械切削和设备制造、空间技术、生物工 程、电子工程及其它多种工业领域的陶瓷材料，这些陶瓷材料主要是氧 化物、氮化物、碳化物、硼化物等非金属材料。 工程陶瓷的应用主要是利用其机械、热、化学等效能，例如耐高温、 耐冲刷、耐腐蚀、高耐磨、高硬度、高强度、低蠕变速率等，充作严酷 工作条件下的结构件，在能源、航空航天、机械、汽车、冶金、化工、 电子等方面都起着关键性作用。结构承力是材料的一种功能，而且是所 有功能中最常见的，以结构承力为主要功能的材料，也可以称为力学功 能材料。由于工程陶瓷往往在高温下作为结构件使用，因此也被称为高 温结构陶瓷。目前常用结构陶瓷有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、碳化 硅基陶瓷、增韧氧化物陶瓷以及多相复合陶瓷等。 一2 1 2 1 工程陶瓷研究现状 为了克服陶瓷材料的脆性、微观结构不均匀性和低可靠性，人们进 行了卓有成效的研究工作。在系统研究显微结构、缺陷形成及裂纹扩展 机制的基础上，建立了相变增韧、弥散强化、纤维增强增韧、复相增韧 等有效增强、增韧方法和技术【4 ，5 1 ，使工程陶瓷的强度和韧性均有大幅 度提高，脆性获得明显改善。化学法制各高纯超细粉末、注射成型、高 温等静压烧结、微波烧结等新技术的应用，有关相平衡、反应动力学、 表面科学、烧结机制等基础研究所取得的进展，使工程陶瓷的合成与制 备摆脱了传统加工工艺而步入科学制备方法。 纳米结构陶瓷【6 ，7 1 的兴起，标志着对工程陶瓷的研究与开发已进入 介于宏观与原子之间的纳米层次，开拓了工程陶瓷的超塑性和低温烧结 等新的性能与工艺途径，为工程陶瓷在纳米尺度量级的原料合成、制备、 组成、结构、性能和使用功效等方面丰富了科学内涵，成为工程陶瓷研 究的一个前沿领域。 陶瓷刀具1 8 也是现代结构陶瓷的一个重要应用领域。切削加工中， 限制切削速度的重要因素是高速切削时所形成的高温。陶瓷刀具不仅具 有高硬度、高耐磨性，同时在高温下仍保持优良的力学性能，成为制造 切削刀具的理想材料。 最新文献【9 1 o ，1 1 1 2 】表明，工程陶瓷有下列发展趋势： ( 1 ) 由单相、高纯材料向多相复合材料方向发展。它包括纤维( 或晶 须) 增强的陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、两种或两种 以上主晶相组合的自增强材料、梯度功能复合材料和纳米一微米复合材 料。 ( 2 ) 原料粉体的显微结构从微米级尺度向纳米级( 1 1 0 0 n m ) 尺度发 展。即其显微结构介于原子( 或分子) 与常规微米结构之间的过渡尺度 区，并由于其尺寸效应带来显著不同的化学和物理性质。 ( 3 ) 陶瓷材料的计算机辅助设计。基于材料理论的应用，对结构变 化规律的认识以及陶瓷合成工艺专家系统的建立等，进而发展到应用计 一3 一 算机技术、模糊逻辑、数字图像等现代技术设计新材料。 1 2 2 陶瓷基复合材科 陶瓷基复合材科l ( c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e ) 是在陶瓷基体中引 入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷 ( m u l t i p h a s ec o m p o s i t ec e r a m i c ) 或复相陶瓷。陶瓷基复合材料包括： ( 1 ) 纤维( 或晶须) 增韧( 或增强) 陶瓷基复合材料 这类材料要求尽量满足纤维( 或晶须) 与基体陶瓷的化学相容性和 物理相容性。化学相容性是指在制造和使用温度下纤维与基体两者不发 生化学反应及不引起性能退化：物理相容性是指两者的热膨胀和弹性匹 配，通常希望使纤维的热膨胀系数和弹性模量高于基体，使基体的制造 残余应力为压缩应力。 ( 2 ) 异相颗粒弥散强化复相陶瓷 异相( 即在主晶相一一基体相中引入的第二相) 颗粒有刚性( 硬质) 颗 粒和延性颗粒两种，它们均匀弥散于陶瓷基体中，起到增加强度和韧性 的作用。刚性颗粒又称刚性颗粒增强体，它是高强度、高硬度、高热稳 定性和化学稳定性的陶瓷颗粒。刚性颗粒弥散强化陶瓷的增韧机制有裂 纹分叉、裂纹偏转和钉扎等，它可以有效提高断裂韧性。刚性颗粒增强 的陶瓷基复合材料有很好的高温力学性能，是制造切削刀具、高速轴承 和陶瓷发动机部件的理想材科。延性颗粒是金属颗粒，由于金属的高温 性能低于陶瓷基体材料，因此延性颗粒增强的陶瓷基复合材料的高温力 学性能不好，但可以显著改善中低温时的韧性。延性颗粒的增韧机制有 裂纹桥联、颗粒塑性变形、颗粒拔出、裂纹偏转和裂纹在颗粒处终止等， 其中桥联机制的增韧效果较显著。延性颗粒增韧陶瓷基复合材料可用于 耐磨部件。 ( 3 ) 原位生长陶瓷复合材料 又称自增强复相陶瓷。与前两种不同，此种陶瓷复合材料的第二相 不是预先单独制备的，而是在原料中加入可生成第二相的元素( 或化合 物) ，控制其生成条件，使在陶瓷基体致密化过程中，直接通过高温化 - 4 一 学反应或相变过程，在主晶相基体中同时原位生长出均匀分布的晶须或 高长径比的晶粒或晶片，即增强相，形成陶瓷复合材料。由于第二相是 原位生成的，不存在与主晶相相容性不良的缺点，因此这种特殊结构的 陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于同组分的其他类型复合材 料。 ( 4 ) 梯度功能复合陶瓷 又称倾斜功能陶瓷。初期的这种材料不全部是陶瓷，而是陶瓷与金 属材料的梯度复合，以后又发展了两类陶瓷梯度复合。梯度是指从材料 的一侧至另一侧，一类组分的含量渐次由1 0 0 减少至零，而另一类则 从零渐次增加至1 0 0 ，以适应部件两侧的不同工作条件与环境要求， 并减少可能发生的热应力。通过控制构成材料的要素( 组成、结构等) 由 一侧向另一侧基本上呈连续梯度变化，从而获得性质与功能相应于组成 和结构的变化而呈现梯度变化的非均质材料，以减小和克服结合部位的 性能不匹配。利用“梯度”概念，可以构思出一系列新材科。 1 _ 2 3 陶瓷的脆性及其增韧机制 陶瓷材料具有较高的弹性模量、较低的密度，而且具有耐高温、抗 腐蚀、高硬度等优点，因此世界各国都把陶瓷看作是对人类未来有重大 作用的高技术新材料而给予重点研究和发展，并相继拟定和实施了柴油 机和航空发动机等高温陶瓷热机的大规模研究计划，但是，陶瓷的脆性 很高，甚至极微小的表面伤痕( 划伤或缝隙) 或者内部瑕疵( 夹杂物、气 孔或微裂纹) 都可能造成突发性破坏。陶瓷材料对缺陷敏感和可靠性不 高，一直是影响其应用的关键。陶瓷的脆性使得它们的性能缺乏均匀性， 只具有很低的抗热震和抗冲击性能，并且拉伸强度也较低。从2 0 世纪 7 0 年代到现在，大量的研究工作集中于陶瓷的增韧，提高材料的断裂 韧性已成为材料领域的研究热点。改善陶瓷材料韧性的方法，主要有弥 散增韧、相变增韧和纤维、晶须增韧。 一5 一 1 2 4 颗粒增强体 颗粒增强体按其相对于基体的弹性模量大小，可分为两类：一类是 延性颗粒复合于强基质复合体系，主要通过第二相粒子的加入在外力作 用下产生一定的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变来缓解应力集中，达到 增强增韧的效果。另一类是刚性粒子复合于陶瓷中。但不论哪一类颗粒， 根据其大小及其对复合材料性能产生的影响，又可进一步分为颗粒弥散 强化复合材料和真正颗粒复合材料。其中弥散粒子十分细小，直径从纳 米级到几个微米之间，主要利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量 与热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成残余应力场。这 种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用，从丽产生裂纹偏转、绕道、分 支和钉扎等效应，对基体起增韧作用。一般选择弥散相的原则1 4 1 如下： ( 1 ) 弥散相往往是一类高熔点、高硬度的非氧化物材料，如s i c 、t i b 2 ， b c 、c b n 等，基体一般为a 1 2 0 3 、z r 0 2 、莫来石等：( 2 ) 弥散相必须有 最佳尺寸、形状、分布及数量，对于相变粒子，其晶界尺寸还与临界相 变尺寸有关，如卜z r 0 2 一般应小于3 m ；( 3 ) 弥散相在基体中的溶解度 需很低，且不与基体发生化学反应；( 4 ) 弥散相与基体须有良好的结合 力。 陶瓷基颗粒复合材料，大多数是指颗粒弥散增强的陶瓷复合材料或 称作复相陶瓷，是在纤维( 晶须) 补强基础上发展而来的，并且与纤维相 比，颗粒的制造成本低、各向同性、强韧化效果明显；除相变增韧粒子 外，颗粒增强在高温下仍然起作用，因而逐渐显示了颗粒弥散增强材料 的优势。 1 2 5 氧化铝陶瓷 以氧化铝( a 1 2 0 3 ) 为主要成份的陶瓷称为氧化铝陶瓷( a l u m i n a c e r a m i c ) 。根据主晶相不同，氧化铝陶瓷可分为刚玉瓷、刚玉一莫来石 瓷及莫来石瓷。以口a 1 2 0 a 为主晶相的氧化铝陶瓷称为刚玉( c o r u n d u m ) 瓷，属六方晶系，其密度为3 9 6 9 e m 3 ，熔点为2 0 5 3 c 。氧化铝具有a 、 一6 一 6 、y 等多种晶型。d - a 1 2 0 3 为稳定晶型。y - a 1 2 0 3 具有面心立方结构， 在9 5 0 1 2 0 0 范围内转化为口- a l z 0 3 ，伴随有约1 3 的体积收缩。以 口a 1 2 0 3 和3 a 1 2 0 3 s i 0 2 为主晶相的刚玉一莫来石( c o r u n d u m m u l l i t e ) 瓷和3 a 1 2 0 3 s i 0 2 为主晶相的氧化铝陶瓷称为莫来石( m u l l i t e ) 瓷。 氧化铝突出的性能是耐热、电绝缘、高硬度、化学稳定和低价格， 作为陶瓷材料得到了广泛应用。在高温工程方面可以用作高温管、板、 模具、钠灯透明管、耐磨件( 如导轮和喷嘴) 、机械密封件和切削刀具。 但是其低韧性、较差的抗热震性和较低的高温强度限制了它在许多领域 的应用，故改善其综合性能、提高韧性，在工程应用中具有十分重要的 意义。氧化铝陶瓷的典型性能【”j 示于表1 1 。 表1 1 氧化铝陶瓷基本性能参数 性能单位热压烧结单晶 纯度 9 9 5 9 9 91 0 0 密度 g c m 5 3 9 0 3 9 83 9 9 气孔率 3 05 7 05 5 80 22 7 128 4 0 6 总之，在充分考虑到热挤压模具的适用条件及性能要求后，包括硬 度高、强度大、耐高温、耐磨损、抗氧化、红硬性好、材料来源广泛等， 无疑a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c 复合陶瓷是较理想的备选材料，在物化相容 性分析上也是可行的。 1 3 材料系统计算机辅助设计 随着计算机技术的不断发展，在材料科学领域、工艺过程控制、数 值模拟、材料自动设计等方面已经取得了可喜的进步。但由于影响因素 较多，作用复杂，找到精确规律的可能性较小，材料科学仍然是主要依 赖实验的科学。大量韵实验数据中存在着许多目前无法解释的规律，为 了让这些数据发挥作用，人们经常使用回归经验公式 2 t 1 来满足工程技 术的需要，对于经验公式的回归，实际上是根据人对数据的分析，给定 古有未知系数的回归方程式，用计算机求解系数的过程。 一般情况下，一种新型陶瓷材料的研制或原有材料的改进都要进行 山东大学硕士学位论文 “炒菜式”的实验摸索过程【22 1 ，由于陶瓷材料的性能对各组分含量极 为敏感，且各组分之间有时存在复杂的交互作用，正确了解各组分之间 的作用规律及相互影响一直是本领域研究的一个难点。即使利用回归方 程建立了某种关系，也只能是某种近似关系，不能完全客观地反映出组 分和力学性能之间的内在关系，也会因为缺乏通用性而使其应用受到限 制。此外对于很复杂的回归方程，需要使用较多的原始实验数据来确定 未知参数工作量和数据处理量都比较大。 计算机的不断发展使得人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 的 应用同益广泛 2 3 , 2 4 1 。由于人工神经网络具有自学习、自组织、自适应、 非线性动态处理及联想记忆等特点，为非线性未知系统的预测和控制提 供了新的途径 25 】。目前，神经网络作为实现复杂非线性系统的建模估 计、预测、诊断和自适应控制等功能的有效工具已经得到了广泛的应用。 与传统的回归方法相比，它具有以下特点： ( 1 ) 避免数据的分析和建模工作，神经网络经过自学习能在网络内 部建立样本隐含的复杂结构； ( 2 ) 能够完成复杂的输入输出非线性映射，能以任意精度逼近任何 连续函数； ( 3 ) 非编程、自适应数据处理方式。通过训练，神经网络的内部状 态将收敛到某种与输入状态相适应的稳定状态。 作者将人工神经网络引入到陶瓷材料设计过程中，充分发挥人工神 经网络自学习的特点，使其能够对陶瓷材料的设计知识进行充分学习， 掌握内在规律，对未知的材料系统进行初步地预测进而帮助新材料的 设计，这样就大大加快了材料设计的过程。 1 4 课题研究的目的、意义及主要工作 本文从工程陶瓷材料在热挤压模具中的实际应用入手，以人工神经 网络理论为基础，开发了工程陶瓷材料预测仿真系统，该软件具有较高 的预测精度及可靠性，通用性强，可以灵活地应用到其他领域。陶瓷材 - 1 2 - 料辅助设计可以在很大程度上减少实验工作量，缩短研制周期，从而加 速陶瓷材料的研制过程。 本研究尝试采用工程陶瓷材料替代热作模具钢材料，利用陶瓷材料 的高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀等主要特性来提高热挤压模具的 使用寿命。 本课题研究的主要工作如下： ( 1 ) 基于神经网络b p 算法利用d e l p h i 程序语言开发出具有双向预 测功能的材料仿真系统，可以较精确地映射组分与力学性能之间的复杂 关系，该系统具有较高的预测精度； ( 2 ) 研制成功a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c 系列复合陶瓷，断裂韧性及综合 性能比氧化铝陶瓷有大幅度提高，能够满足热挤压模具材料要求； ( 3 ) 对热挤压模具失效形式进行分析，对凹模所受热挤压力进行建 模计算； ( 4 ) 针对热挤压模具的主要失效形式运用断裂理论建立陶瓷零部件 的寿命预测公式，并对陶瓷零件设计提出几点建议； ( 5 ) 对a 1 2 0 3 c r 3 c 2 ( w ，t i ) c 系列复合陶瓷增韧机制进行分析。 一1 3 第2 章基于神经网络的预测仿真系统 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是模仿生物脑结构和功能 的一种信息处理系统，是一门高度综合的交叉学科，它的研究和发展涉 及神经生理科学、数理科学、信息科学和计算机科学等众多学科领域， 其特点是：大规模并行结构，信息的分布式存储和并行处理，具有良好 的自适应性、自组织和容错性，具有较强的学习、记忆、联想、识别功 能等。神经网络已经在信号处理、模式识别、目标跟踪、机器人控制、 专家系统等众多领域获得了广泛的应用【2 6 ，2 ”。 粗略地讲，大脑是由大量神经细胞或神经元组成的。每个神经元可 看作一个小的处理单元，这些神经元按某种方式互相连接起来，形成大 脑内部的生理神经元网络，这些神经元网络中各神经元间连接的强弱， 按外部的激励信号做自适应变化，而每个神经元又随着所接收到多个激 励信号的综合大小而呈现兴奋或抑制状态。现已明确大脑的学习过程就 是神经元间连接强度随外部激励信息做自适应变化的过程，而大脑处理 信息的结果则由神经元的状态表现出来。显然我们建立的信息处理系统 实际上就是模仿生理神经网络，所以称它为人工神经网络。同时也必须 注意尽管a n n 是大脑结构的模仿，但这种模仿目前还处于极低的水平。 为了更确切起见，美国神经网络学家h e c h tn i e l s e n t 2 8 1 给出了如下的定 义：神经网络是由非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成 的计算机系统，该系统是靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信 息的。 人工神经网络的操作有两种过程，一是训练学习，一是正常操作或 称回忆。训练学习时，把要教给网络的信息( 外部输入) 作为网络的输入 和要求的输出，使网络按某种规则( 称训练算法) 调节各处理单元间的连 接权值，直到加上给定输入，网络就能产生给定输出为止。这时，各连 接权己调节好，网络的训练完成了。所谓正常操作，就是对训练好的网 络输入一个信号，它就可正确回忆出相应输出，所以也称回忆操作。 一1 4 一 2 1 误差反向传播神经网络( b p 网络) 误差反向传播神经网络( e r r o rb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ) 是 1 9 8 6 年由r u m e l h a r t 和h i t o n 2 9 1 提出的，它是一种能向着满足给定的 输入输出关系方向进行自组织的神经网络。当输出层上的实际输出与给 定的教师输入不一致时，用最速下降法修正各层之间的结合强度，直到 最终满足给定的输出输入关系为止。由于误差传播的方向与信号传播的 方向正好相反而称为误差反向传播神经网络。1 9 8 9 年r o b e r th e c h t n i e l s o n t 圳从数学上证明了任何一个闭区间的连续函数都可以用一个三 层前向误差反传网络( b p 网络) 来逼近。b p 算法是目前人工神经网络中 应用最多最成功的算法之一。 b p 网络实际上是一个多层感知器的前馈网络。b p 网所完成的信息 处理工作，从数学意义上讲就是利用映射训练样本( 一，y ) ，( x ：，y ：) ， ( ，y 。) ，实现从 维欧氏空间的一个子集a 到m 维欧氏空间子集，- 的映射。即a r 。- - 9 r 。 2 1 1 转移函数 转移函数f ( o ) 也称激励函数、传输函数或阻幅函数。其作用就是将 可能的无限域变换到一指定的有限范围内输出。这类似于生物神经元具 有的非线性转移特性。有一类极为重要的压缩函数是s 型函数，其中用 的最多的有两个：s i g m o i d 函数和双曲正切函数。s i g m o i d 函数的具体 表达式见式( 2 1 ) 。 y = f ( j ) = ( 1 + e - * ) 。1( 2 - 1 ) 可以把该s 型函数看作为处理单元定义了一个非线性增益，增益 的大小决定于曲线在给定s 点的斜率。当s 由c o 增到0 时，增益由0 增至最大，然后s 由0 增到+ o 。时，增益又由最大返回到0 ，并且总是 正的。g r o s s b e r g 在1 9 7 3 年曾发现，用该函数可使同一网络既能处理小 信号也能处理大信号。因为该函数的中间高增益区解决了处理小信号的 问题，而在仲向两边的低增益区正好适于处理大的激励信号这种情况 一1 5 一 正像生物神经元在输入电平范围很大的情况下能正常工作一样。 2 1 2b p 算法 b p 网络是在有教师学习方式下，根据反向传播误差学习准则，寻 求最佳权集实现网络的正确输出。图2 1 给出了三层b p 网络结构示意 图。 输出模式 输出层 隐含层 输入层 输出层神经元 隐含层神经元 输入层神经元 输入模式 圈2 1 三层b p 网络结构示意图 带有隐含层的三层b p 网络是根据输出层内各处理单元的正确输出 与实际输出间的误差进行连接权的调整，以实现误差最小输出。由于隐 含层的存在，输出层对产生误差的学习必须通过隐含层与输出层连接权 值的调整进行。因此，隐含层要能对输出层反传过来的误差进行学习，