（机械制造及其自动化专业论文）原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究.pdf

摘要 原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究 摘要 传统的s i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具在高速切削时，其中的s i c 晶须易与淬硬钢产生化学反应，而且s i c 与氧化铝间的热膨胀失配较 严重；同时在制备晶须增韧陶瓷刀具时，存在晶须分散困难、制备成 本高和危害人体健康等问题，因此本文采用原位合成复相粉末，研制 成功了原位生长t i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料，系统研究了碳热 还原法中t i c 晶须的生长机理、原位生长t i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀 具材料复相粉末制备工艺及机理、热压烧结工艺、力学性能、显微结 构，增韧机理、切削性能及刀具磨损机理。 研究了碳热还原法中t i c 晶须的生长机理，提出了熔滴表面输运 机制和s l l s 晶须生长机理，研究了s l l s 晶须生长机理中的晶须生长 方式和影响晶须产量与长径比的主要因素。结果表明，在碳热还原法 生长t i c 晶须的过程中，n i 熔滴是引导晶须生长的触媒相，n a c i 熔滴 是传质相，n a c | 熔滴通过对反应物颗粒和n i 熔滴的粘附及n a c i 熔滴 自身的蒸发，不断向n i 熔滴输运反应物颗粒，维持晶须的连续生长。 在s l l s 晶须生长机理中，存在着反应生长、熟化生长和连接生长三种 晶须生长方式采用搅拌混料方式、添加足以粘附所有原材料颗粒的 传质相、提高触媒相的含量、提高升温速度以及根据传质相的蒸发速 度和触媒相对原材料颗粒的溶解速度控制生长容器内外的气氛交换速 度等，都能够提高晶须产量。调节触媒相与传质相在含量上的配比则 可以改变晶须的长径比。s l l s 机理采用触媒液滴引导从固相原材料中 生长晶须，因此不仅具有v l s 机理适合大部分晶须生长并对晶须生长 状态具有较好可控性的优点，而且具有s l s 机理适合于规模化生产的 优点，是继v l s 机理后又一种重要的晶须生长机理。 研究了原位生长t i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料复相粉末的制 备工艺和机理。结果表明，碳热还原法是制各复相粉末的理想工艺， 本研究得到了山东省优秀中青年科学家科研奖励基金的资助( 2 0 0 6 b s 0 5 0 13 ) i x 山东大学博士学位论文 氧化铝基体与t i c 晶须前驱体粉料之间具有良好的化学相容性。湿磨 混料可使晶须在基体粉末中分散生长，最佳生长温度是1 4 8 0 0 c 。当碳 含量为标准化学计量比的9 7 左右时，刀具材料具有较好的综合力学 性能。采用高温区保温的晶须生长工艺有利于提高化合碳含量，降低 游离碳含量，提高刀具材料的力学性能，因此最佳的晶须生长工艺是 二步保温法，即在1 4 8 0 0 c 左右保温6 0 m i n ，然后继续在1 7 0 0 。c 左右 保温3 0 m i n 。n i 和n a c i的最佳含量( 摩尔比)为 t i 0 2 ：n i ：n a c i = i ：o 0 5 ：o 5 。振实装料和氧化铝相变可以抑制基体晶粒长 大和团聚，改善刀具材料的力学性能。 研制成功了原位生长t i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料a t w 3 0 。 在理想的烧结工艺下，a t w 3 0 的抗弯强度可达8 0 0 m p a ，断裂韧度可 达7 6 3 m p a m 2 ，硬度可达1 9 5 g p a 。提出将陶瓷刀具材料中晶须与基 体间的界面结合强度划分为热力学结合强度和机械结合强度两类，由 于在足够高的烧结温度下才能形成晶须与基体间较高的界面热力学结 合强度，因此在以热力学结合强度为主的晶须增韧陶瓷刀具材料 a t w 3 0 中，只有达到一定的烧结温度，才能够保证刀具材料具有较高 的断裂韧度。在原位生长晶须增韧陶瓷刀具材料中发现了大量晶内型 晶须，并在包裹晶内型晶须周围的基体晶粒中发现了位错群。大量晶 内型晶须及位错群有利于提高刀具材料的致密度和力学性能。 建立了反映了断裂韧度和裂纹扩展面积实效比、弹性模量及断裂 表面能之间关系的裂纹扩展面积实效比增韧模型。结果表明，影响刀 具材料a t w 3 0 弹性模量和断裂表面能的主要因素是材料组分。晶须一 基体界面的剥离和沿晶断裂均能提高刀具材料a t w 3 0 的裂纹扩展面积 实效比和断裂韧度。采用实效比增韧模型预测了陶瓷刀具材料a t w 3 0 的断裂韧度，其预测值( 8 8 5 m p a m 2 ) 与实测值( 7 6 3 m p a i t i “2 ) 基 本吻合，证明了该模型的正确性。裂纹扩展面积实效比增韧模型不涉 及刀具材料的具体增韧机理，具有更广泛的普适性，对研制新型陶瓷 刀具材料具有重要的理论指导意义。 研究了陶瓷刀具材料a t w 3 0 切削淬硬4 0 c r 、4 5 4 钢和t 1 0 a 时的 切削性能和刀具磨损机理，并与陶瓷刀具s g 4 进行了对比。结果表明， a t w 3 0 的抗磨损能力明显优于s g 4 。a t w 3 0 在低速切削淬硬4 0 c r 时 x 攒要 的抗磨损能力优于高速切削，其中低速切削时的主要磨损机理是磨粒 磨损，高速切削时的主要磨损机理是磨粒磨损和粘结磨损。a t w 3 0 在 高速切削淬硬4 5 。钢和t 1 0 a 时的抗磨损能力优于低速切削，主要磨损 机理是磨粒磨损，这表明a t w 3 0 与4 5 。钢及t 1 0 a 的亲和力较小，具 有良好的化学稳定性。 关键词：原位生长t i c 晶须；熔滴表面输运；s l l s 晶须生长机理；t i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料；裂纹扩展面积实效比增韧模型 山东大学博七学位论文 s t u d yo ni ns i t ug r o w t hw h i s k e rt o u g h e n i n ga l u m i n a m a t r i xc e r a m i ct o o la n dc u t t i n gp e r f o r m a n c e + a b s t r a c t s i cw h i s k e r sa r eg e n e r a l l yu s e di nw h i s k e rt o u g h e n i n ga 1 2 0 3c e r a m i c t o o lm a t e r i a l s h o w e v e r ，t h ec o m p o u n ds i cc a nr e a c tw i t ht h ee l e m e n tf e w h e nm a c h i n i n gh a r d e n e ds t e e l s i nh i g hc u t t i n gs p e e da n di t st h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti st o ol o wt ob ea ni d e a lt o u g h e n i n ga d d i t i v et ot h e a 1 2 0 3 m o r e o v e r ，t h ea p p l i c a t i o no fw h i s k e ri nc e r a m i ct o o lm a t e r i a l si s s t i l ll i m i t e db ys u c hd i s a d v a n t a g e sa sd i f f i c u l td i s p e r s i o n ，ah i g h c o s t ， h e a l t h yh a z a r d ，e t c t h e r e f o r e ，at i cw h i s k e rt o u g h e n i n ga 1 2 0 3m a t r i x c e r a m i ct o o lm a t e r i a li s s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db ya ni ns i t ug r o w t h t e c h n o l o g y t h eg r o w t hm e c h a n i s m so ft i cw h i s k e r ，t h ef a b r i c a t i o nf o r m i x t u r ep o w d e ro fi ns i t u g r o w t hw h i s k e rt o u g h e n i n ga 1 2 0 3m a t r i x c e r a m i ct o o lm a t e r i a l ，a sw e l la st h ef a b r i c a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， m i e r o s t r u c t u r e ，t o u g h e n i n gm e c h a n i s m s ，c u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dt o o l w e a rm e c h a n i s m so ft h ei ns i t ug r o w t hw h i s k e rt o u g h e n i n ga 1 2 0 3m a t r i x c e r a m i ct o o la r ei n v e s t i g a t e d ， t h eg r o w t hm e c h a n i s m so ft i cw h i s k e rs y n t h e s i z e db yac a r b o t h e r m a l r e d u c t i o nt e c h n o l o g ya r ei n v e s t i g a t e d af l u xg l o b es u r f a c et r a n s p o r t m e c h a n i s ma n da s l l s ( s o l i d l i q u i d - l i q u i d s o l i d ) w h i s k e rg r o w t h m e c h a n i s ma r ep r o p o s e d t h eg r o w t hp a t t e r n sa n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h ey i e l da n da s p e c tr a t i oo ft h ew h i s k e ri nt h es l l sm e c h a n i s ma r e i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a tt h en ii st h ea c c e l e r a n tp h a s et oi n d u c et h e g r o w t ho ft i cw h i s k e r sa n dt h en a c ii s t h et r a n s p o r tp h a s ei nt h e c a r b o t h e r m a lr e d u c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h es t i r f a c ew e t t a b i l i t ya n d e v a p o r a t i o no fn a c if l u xg l o b e s ，t h er a wm a t e r i a l sc a nb et r a n s p o r t e da s + s u p p o r t e db ye n c o u r a g e m e n tf o u n d a t i o nf o rd i s t i n g u i s h e dy o u n gs c i e n t i s to f s h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 6 b s 0 5 0 1 3 ) a b s t r a c t s o l i dp a r t i c l e sd i r e c t l yt ot h en id r o p l e tt os u s t a i nt h eg r o w t ho ft i c w h i s k e r s t h e r ea r et h r e ew h i s k e rg r o w t hp a t t e r n si nt h es l l sm e c h a n i s m s u c ha sr e a c t i o n ，o s t w a l dr i p e n i n ga n dc o a l e s c e n c eg r o w t h t h ey i e l do f w h i s k e r si nt h es l l sm e c h a n i s mc a ni n c r e a s eb yt h em e a n so fm i x i n gt h e r a wm a t e r i a l si nab l e n d e r ，i n c r e a s i n gt h et r a n s p o r tp h a s ec o n t e n tt o a d h e r et h em a j o r i t yo fr a wm a t e r i a lp a r t i c l e s ，i n c r e a s i n gt h ea c c e l e r a n t p h a s ec o n t e n t ，e l e v a t i n gt h eh e a t i n gr a t ea n da d j u s t i n gt h ee x c h a n g i n g r a t eo ft h ep r o t e c t i v ea t m o s p h e r eb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d eo ft h e r e a c t i o nc o n t a i n e ra c c o r d i n gt ot h ee v a p o r a t i n gr a t eo ft h et r a n s p o r tp h a s e a n dt h ed i s s o l v i n gr a t eo ft h ea c c e l e r a n tp h a s et or a wm a t e r i a lp a r t i c l e s t h ea s p e c tr a t i oo fw h i s k e r sc a nb ec o n t r o l l e db ys u c ham e t h o da st o a d j u s tt h ec o n t e n tr a t i oo ft h ea c c e l e r a n tp h a s et ot h et r a n s p o r tp h a s ei n t h ep r e c u r s o r b e c a u s et h a tt h eg r o w t ho fw h i s k e r si sr e d u c e db y a c c e l e r a n td r o p l e t sf r o ms o l i dr a wm a t e r i a l s ，t h es l l sm e c h a n i s mh a st h e a d v a n t a g e so fb o t ht h ev l sm e c h a n i s ma n dt h es l sm e c h a n i s ms u c ha s w i d ea p p l i c a t i o ni ng r o w t ho fv a r i e dw h i s k e r s ，c o n t r o l l a b l eg r o w t hs t a t e a n dc o m m e r c i a l f o r e g r o u n d ，w i l l b ea n i m p o r t a n t w h i s k e rg r o w t h m e c h a n i s mj u s ta st h ev l sm e c h a n i s m t h ef a b r i c a t i o nf o rm i x t u r ep o w d e ro fi n s i t ug r o w t ht i cw h i s k e r t o u g h e n i n ga 1 2 0 3m a t r i xc e r a m i ct o o l m a t e r i a li s i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec a r b o t h e r m a lr e d u c t i o nt e c h n o l o g yc a nb eu s e dt o p r e p a r et h em i x t u r ep o w d e r ，t h ec h e m i c a lc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h e a 1 2 0 3m a t r i xa n dt h ep r e c u r s o rf o rt i cw h i s k e r si si d e a l b a l lm i l l i n gi n e t h o n a lm e d i u mc a nb eu s e dt op r e p a r et h ep r e c u r s o rt os y n t h e s i z e h o m o g e n e o um i x t u r ep o w d e ri nw h i c ht h et i cw h i s k e r si sw e l ld i s p e r s e d t h ei d e a lg r o w t ht e m p e r a t u r ef o rt i cw h i s k e r si na 1 2 0 3m a t r i xp o w d e ri s 1 4 8 0 0 c t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea 1 2 0 3c e r a m i ct o o lm a t e r i a l t o u g h e n e db yi ns i t ug r o w t ho ft i cw h i s k e r sc a nb ei m p r o v e dw h e nt h e c a r b o nc o n t e n ti nt h ep r e c u r s o rd e c r e a s e st ob e9 7 o ft h es t o i c h i o m e t r i c c o n t e n t s y n t h e s i z i n ga tah i g h e rt e m p e r a t u r ec a nd e c r e a s et h ee l e m e n t c a r b o nc o n t e n ti nt h em i x t u r ep o w d e r b yi n c r e a s i n gt h ec o m p o u n dc a r b o n 山东大学博士学位论文 c o n t e n ti nt h et i cw h i s k e r s ，w h i c hc a na l s oi m p r o v et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h et o o lm a t e r i a l ，t h e r e f o r et h ei d e a lf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y o ft h em i x t u r ep o w d e ri st ob ef i r s t l yh e a t e dt ol4 8 0 。ca n dh e l df o r6 0 m i n d u r a t i o n s u b s e q u e n t l yh e a t e dt o1 7 0 0 0 ca n dh e l df o r3 0 m i nd u r a t i o n t h e i d e a lc o n t e n t ( m o l a rr a t i o ) o fn ia n dn a c ii nt h ep r e c u r s o ri st h a t t i 0 2 ：n i ：n a c i = i ：o 0 5 ：o 5 av i b r a t i o no p e r a t i o nt of u l lt h ep r e c u r s o r p o w d e ri n t or e a c tc o n t a i n e ra n dt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nf r o m 丫- a 1 2 0 3t o a a 1 2 0 3c a nb o t hb eu s e dt oc o n t r o lt h eg r o w t ha n da g g r e g a t i o no ft h e a 1 2 0 3m a t r i xg r a i n s ，i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec e r a m i c t o o lm a t e r i a l a ni ns i t ug r o w t ht i cw h i s k e rt o u g h e n i n ga 1 2 0 3c e r a m i ct o o lm a t e r i a l a t w 3 0i s s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e d t h ef l e x u r e s t r e n g t h ，f r a c t u r e t o u g h n e s sa n dv i c k e r sh a r d n e s so fa t w 3 0a r e8 0 0 m p a 7 6 3 m p a m 1 7 2 a n dl9 5 g p a r e s p e c t i v e l y an e wc o n c e p ti ss u g g e s t e dt h a tt h ei n t e r f a c e b o n d i n gs t r e n g t ho fw h i s k e r m a t r i xc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d ss u c ha s t h et h e r m a lb o n d i n gs t r e n g t ha n dt h em e c h a n i c a lb o n d i n gs t r e n g t h t h e f r a c t u r et o u g h n e s so fa t w 3 0c a nb ei m p r o v e db yf a b r i c a t i o na tah i g h e r t e m p e r a t u r eb e c a u s et h a tt h ew h i s k e r m a t r i xi n t e r f a c eb o n d i n gs t r e n g t hi n a t w 3 0i sm a i n l yf o r m e db yt h et h e r m a lb o n d i n gs t r e n g t ht h a tc a nb e s t r e n g t h e n e da tah i g h e rt e m p e r a t u r e l a r g ea m o u n to fi n t r a g r a n u l a rt i c w h i s k e r sa n dd i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o na r eo b s e r v e di na t w 3 0 ，w h i c hc a n i m p r o v et h ed e n s i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l t h em o d e lf o rt h er a t i oo fp r a c t i c a la r e at oe f f e c t i v ea r e ao fc r a c k p r o p a g a t i o ni se s t a b l i s h e di nw h i c ht h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h er a t i oo f p r a c t i c a la r e at o e f f e c t i v ea r e ao fc r a c kp r o p a g a t i o n ，e l a s t i cm o d u l u s ， f r a c t u r es u r f a c ee n e r g ya n df r a c t u r et o u g h n e s si si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ee l a s t i cm o d u l u sa n df r a c t u r e s u r f a c ee n e r g yo fa t w 3 0i st h ec o m p o s i t i o n t h er a t i oo fp r a c t i c a la r e a t oe f f e c t i v ea r e ao fc r a c kp r o p a g a t i o no fa t w 3 0i si n c r e a s e db yt h e i n t e r g r a n u l a rf r a c t u r ea n dt h ed e b o n do nt h ew h i s k e r m a t r i xi n t e r f a c e t h ev e r j f i c a t i o no ft h em o d e lo nt h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a la t w 3 0s h o w s x i v a b s t r a c t ! j j 曼罾皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇! ! ! 曼舅! 蔓曼量墨蠢曼鼍曼曼詈曼曼詈詈皇置鼍! 曼曼鼍曼曼置曼曼曼量曼曼置皇曼曼鼍舅曼蔓量_ t h a tt h e c a l c u l a t e df r a c t u r e t o u g h n e s sv a l u e ( 8 8 5 m p a m 1 佗) i s i n c o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u e ( 7 6 3 m p a m 17 2 ) b e c a u s et h a tt h e c o n c r e t et o u g h e n i n gm e c h a n i s mn e e dn o tt ob er e l a t e d ，t h em o d e lh a s m o r eu n i v e r s a l a p p l i c a b i l i t y a n d i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l g u i d a n c e s i g n i f i c a n c et ot h es t u d yo na d v a n c e dc e r a m i ct o o lm a t e r i a l s t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dt o o lw e a rm e c h a n i s m so ft h ec e r a m i ct o o l m a t e r i a la t w 3 0w h e nm a c h i n i n gh a r d e n e ds t e e l ss u c ha s4 0 c r ，4 5 4a n d t 1o aa r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dt ot h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a ls g 4 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c ea b i l i t yo fa t w 3 0i ss u p e r i o rt o s g 4 t h ew e a rr e s i s t a n c ea b i l i t yo fa t w 3 0w h e nm a c h i n i n gh a r d e n e d 4 0 c ri nl o wc u t t i n gs p e e di ss u p e r i o rt ot h a ti nh i g hc u t t i n gs p e e d t h e m a i nw e a rm e c h a n i s mi sa b r a s i v ew e a ri nl o wc u t t i n gs p e e dw h e r e a s a b r a s i v ew e a ra n da d h e s i v ew e a ri n h i g hc u t t i n gs p e e d t h ew e a r r e s i s t a n c ea b i l i t yo fa t w 3 0w h e nm a c h i n i n gh a r d e n e d4 5 。a n dt 1 0 ai n h i g hc u t t i n gs p e e di ss u p e r i o rt o t h a ti nl o wc u t t i n gs p e e d t h ew e a r m e c h a n i s mi sa b r a s i v ew e a r ，i n d i c a t i n gt h a tt h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l a t w 3 0h a se x c e l l e n tc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dv e r yl o wa f f i n i t yw h e n m a c h i n i n gs u c hh a r d e n e ds t e e l sa s4 5 。a n dt 10 a k e y w o r d s ：i ns i t ug r o w t ht i cw h i s k e r ，f l u xg l o b es u r f a c et r a n s p o r t m e c h a n i s m ，s l l sw h i s k e rg r o w t hm e c h a n i s m ，t i cw h i s k e rt o u g h e n i n g a 1 2 0 3m a t r i xc e r a m i ct o o lm a t e r i a l ，t h em o d e lf o rt h er a t i oo fp r a c t i c a l a r e at oe f f e c t i v ea r e ao fc r a c kp r o p a g a t i o n 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：堑2 盟堑 日 期：兰2 ：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：避导师签名：_ 益遣 日 期：乏翌互蔓l 。 第1 章绪论 第1 章绪论 陶瓷可以说是人类最早使用的材料，其出现要比金属早得多。 陶瓷研究的历史可分为三个发展阶段： ( 1 ) 从原始陶瓷的出现到近代传统陶瓷。这一阶段一直持续了四 千余年，包括了从陶器到陶瓷，从日用陶瓷到工业陶瓷等的一系列发 展历程。 ( 2 ) 从传统陶瓷到现代陶瓷。是从2 0 世纪5 0 年代发展起来的， 已经远远超出了传统陶瓷范畴，逐渐发展到了整个非金属材料领域1 2 1 。 ( 3 ) 到2 0 世纪9 0 年代，陶瓷研究开始进入第三个阶段，即纳米 陶瓷阶段。 现代陶瓷是采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成， 按照便于进行结构设计及控制的制造方法进行制造和加工，具有优异 特性的陶瓷【3 1 。按其功能和用途，现代陶瓷可分为结构陶瓷、功能陶 瓷和生物陶瓷 4 1 。 结构陶瓷以其高硬度、耐高温、耐磨损和耐腐蚀等优点，在工程 应用中有着金属和高分子材料不可比拟的优势。但是陶瓷刀具材料固 有的脆性，大大限制了结构陶瓷的应用领域。因此如何改善陶瓷刀具 材料的断裂韧度，拓展结构陶瓷的应用和发展空间，一直是各国学者 致力研究和解决的热点问题。 1 1 陶瓷刀具材料增韧方式及机理的研究现状 陶瓷刀具材料因塑性变形能力差而容易在裂纹尖端产生很高的应 力集中，导致陶瓷刀具材料韧度低，因此如何提高陶瓷材料的强度和 韧度，是陶瓷刀具材料研究领域中的一个重要课题。目前已经得到研 究和应用的增韧方式有晶须晶板增韧【5 ，6 1 、纤维增韧【7 1 、异相颗粒弥散 强化增韧( s - l o l 、氧化锆相变增韧】、延性相增韧u 2 1 、显微结构增韧( 自 增韧) 【”】、表面强化和增韧 1 4 1 以及多元复合增韧 1 5 - 1 8 等。相应的增韧 机理有弥散增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、桥接增韧、拔出增韧、 基体预压应力增韧 1 9 1 、应力诱导相变增韧、延性增韧和协同增韧等。 随着纳米尺度概念的提出与纳米材料的出现，纳米陶瓷刀具材料及相 山东大学博士学位论文 应的纳米增韧机理成为新的研究热点。 纳米材料具有独特的体积效应( 小尺寸效应) 、表面效应、量子尺 寸效应和宏观量子隧道效应1 2 0 1 等，为根本改善陶瓷刀具材料的断裂韧 度提供了新的理论依据。几种具有超塑性的纳米陶瓷材料 2 1 1 的问世也 为真正摆脱陶瓷刀具材料固有脆性的禁锢提供了新的设计思路。但是 迄今为止，所获得的研究成果并没有显示出纳米陶瓷刀具材料的明显 优势。以直接导致纳米增韧研究热潮的n i i h a r a 2 2 】的报道为例，在材料 的力学性能方面，尽管纳米s i c 增韧的氧化铝陶瓷刀具材料具有高达 1 g p a 左右的抗弯强度，但是断裂韧度仅为4 7 m p a m “2 左右 2 2 - 2 5 ；微 米s i c 增韧的氧化铝陶瓷刀具材料的抗弯强度较低，但是断裂韧度可 达5 9 m p a m 1 彪 2 5 1 。在材料的增韧机理方面，有研究认为 2 2 , 2 6 2 9 】纳米 s i c 颗粒增韧氧化铝陶瓷刀具材料的增韧机理为：断裂模式由沿晶向穿 晶的改变、残余应力增韧、裂纹偏转、显微结构细化以及微裂纹增韧 等。显然，这些增韧机理也同样存在于微米s i c 增韧氧化铝陶瓷刀具 材料中，可见纳米陶瓷刀具材料及其增韧机理的发展依然是处在一种 刚起步的阶段，不仅在力学性能方面尚未展现出明显优于微米陶瓷刀 具材料的优势，而且在增韧机理上也暂时难以摆脱微米增韧机理的范 畴。相比之下，微米陶瓷刀具材料及其增韧机理已日渐成熟，并且随 着梯度功能 3 0 l 、协同增韧1 17 1 、多元多尺度增韧 2 5 1 等新的增韧概念以及 粉末涂层 3 1 】、原位生长 3 2 1 等新的陶瓷刀具材料制备工艺的不断出现， 其理论和应用上的发展空间也在不断被开拓。 在各类微米陶瓷刀具材料中，晶须增韧陶瓷刀具材料以其优异的 室温和高温力学性能一直是研究的热点。研究发现 3 3 1 ，采用s i c 晶须 增韧的氧化铝陶瓷刀具材料的断裂韧度可达8 1 0 m p a m 2 ，而采用 t i c 8 1 、t i n 9 1 以及s i c 2 5 1 等第二相颗粒弥散增韧时的断裂韧度一般很 难达到7 m p a m “2 以上，尽管采用z r 0 2 相变增韧时氧化铝陶瓷刀具材 料的断裂韧度可达8 - 1 3 m p a m “2 ，但是相变增韧作用会随温度的升高 而急剧下降 3 4 1 ，而s i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料即使是在 1 0 0 0 1 2 0 0 0 c 的高温下，依然可以保持其8 - 1 0 m p a m “2 的断裂韧度和 4 7 5 - 7 7 5 m p a 的抗弯强度【33 1 ，可见晶须增韧不仅具有室温下远远优于颗 粒弥散增韧而接近于相变增韧的增韧效果，而且具有相变增韧难以比 2 第1 苹绪论 拟的高温力学性能，因此非常适合于用作对室温和高温综合力学性能 要求都较高的陶瓷刀具材料。 目前晶须增韧陶瓷刀具材料研究中存在的问题主要有两方面，一 是可选择的晶须品种太少，除了s i c 晶须以外，尚未见到有关其它晶 须增韧的陶瓷刀具材料的报道；二是晶须难以分散，且严重影响刀具 材料烧结过程中的致密化速率，因此急需开发新的晶须品种以及新的 晶须分散工艺和刀具材料致密化技术【34 1 。 1 2 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料的研究现状 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定 性好和不易与金属发生粘结等特点，在高速切削领域和切削难加工材 料方面显示出传统刀具无法比拟的优势【35 1 ，从而成为了结构陶瓷材料 最重要的研究和应用领域之一。 受 氧化铝陶瓷刀具材料以其化学稳定性好、耐热和耐磨性能优异且 价格低廉等优点1 3 6 1 ，在国内外研制的各类陶瓷刀具材料中一直占据着 较大的份额 3 7 , 3 8 。断裂韧度低是制约氧化铝陶瓷刀具材料应用和发展 的主要因素1 3 9 ，因此从2 0 世纪6 0 年代末开始【4 们，通过添加t i c 等硬 质相颗粒、z r 0 2 相变颗粒以及s i c 晶须等研制复合材料 4 1 】以提高其断 裂韧度便成为氧化铝陶瓷刀具材料的主要发展方向。 。 添加一定量的s i c 晶须能够极大地提高氧化铝陶瓷刀具材料的断 裂韧度，同时较大幅度地提高其抗弯强度和硬度，因此从2 0 世纪8 0 年代开始，随着s i c 晶须商业化生产的实现 4 2 1 ，国内外各种牌号的s i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料也得以研制成功并投入使用1 4 3 1 ，并在此 基础上，开始转向各种添加s i c 颗粒【1 7 】、相变颗粒1 4 4 以及过渡金属碳 化物【1 6 l 或硼化物1 4 5 1 颗粒等能够产生协同增韧机理的多元复合氧化铝 陶瓷刀具材料的研究，但是迄今为止，s i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材 料中存在的两个主要问题依然未能得到解决： 一是s i c 在切削高温下与淬硬钢易产生化学反应，降低了刀具的 抗磨损性能。尽管s i c 晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料具有较高的断裂 韧度和优异的高温力学性能，并在切削n i 基合金 4 6 1 等有色金属方面表 现出了优异的切削性能，但是切削淬硬钢时，s i c 很容易在切削高温的 3 山东大学博士学位论文 作用下与工件中的f e 元素发生化学反应【4 7 1 和溶解【48 1 ，不仅降低了刀 具材料的硬度，也同时增加了刀具与工件发生粘结的倾向，从而降低 了刀具的抗磨损性能【4 9 】； 二是s i c 与氧化铝基体间的热膨胀系数相差太大，影响了晶须增 韧陶瓷刀具材料力学性能的稳定性和进一步提高。晶须桥接和拔出是 晶须增韧陶瓷刀具材料中的两种主要增韧机理，适当的晶须与基体间 的界面结合强度是充分发挥晶须桥接和拔出增韧作用的关键。研究认 为 5 0 l ，要保证晶须在桥接过程中正常剥离，至少应该保证晶须基体界 面的断裂表面能。( j m 2 ) 和晶须断裂表面能y 。( j m 2 ) 之间的比值 不大于1