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《山东大学》 2018年
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基于陶瓷刀具高温力学行为演变的刀具失效机理研究

程谟力  
【摘要】:陶瓷刀具材料因其具有高的耐热性、高的硬度、优良的耐磨性和化学稳定性等优点,是21世纪最重要的刀具材料之一。目前大部分的研究只注重提高陶瓷刀具材料室温下的综合力学性能,而在高速切削时刀具处于高温环境中,陶瓷材料的高温力学性能好坏严重影响刀具的切削性能。若能在真正的服役条件下,对陶瓷刀具材料力学行为进行研究,更能从本质上揭示陶瓷刀具的失效机理。本文针对陶瓷刀具高温力学行为演变的机理及其与刀具失效机理的关系展开深入研究,研究成果将对合理选择刀具材料以及优选切削参数具有重要的指导意义。本文选取了组分含量相同但添加相粒径不同的两种Al2O3/TiC陶瓷刀具材料进行对比研究,以排除物化相容性的不同对刀具失效的影响。首先制备两种刀具材料,一种为微米TiC颗粒复合Al2O3基陶瓷刀具材料(简记为AT55),另一种为微米、纳米TiC颗粒复合Al2O3基陶瓷刀具材料(简记为ATT5)。通过优化二者的烧结工艺得到AT55刀具材料的室温抗弯强度、断裂韧度和硬度分别为842MPa、6.88MPa·m1/2和17.46GPa;ATT5陶瓷刀具材料的室温抗弯强度、断裂韧度和硬度分别为880MPa、7.00MPa m1/2和18.2GPa。对比研究了两种室温力学性能不同的陶瓷刀具材料AT55和ATT5高温性能的变化规律。研究表明,两种刀具材料的抗弯强度均随温度(20~1000℃范围内)升高而减小,在800℃之后急剧下降。添加纳米TiC颗粒的ATT5刀具材料虽然室温抗弯强度高于AT55,但高温抗弯强度反而较低。两种刀具材料的断裂韧度均随着温度(20~1100℃范围内)的升高先减小后增大,在1000℃时,ATT5刀具材料的断裂韧度升高出现峰值。两种刀具材料的硬度均随着温度(20~1000℃范围内)的升高呈近似线性下降的趋势。对力学性能的演变机理进行分析认为:室温下,纳米TiC颗粒的加入使陶瓷刀具材料的晶粒细化,同时晶内纳米TiC颗粒的存在起到了增大穿晶断裂比例、阻止裂纹扩展的作用,从而提高了材料室温抗弯强度和断裂韧度。而高温下,纳米TiC颗粒更容易被氧化,同时纳米TiC颗粒细化了晶粒,增大了晶界比,材料更容易软化,导致材料高温力学性能降低。研究了 AT55刀具材料在不同温度下的摩擦磨损特性。室温下,在速度为50~150m/min的范围内,摩擦系数随滑动速度的增加呈近似线性下降的趋势。摩擦界面粘附的金属随着滑动速度的升高越来越平整均匀,是摩擦系数逐渐降低的主因。在600~800℃的范围内,随着温度的升高,材料的摩擦系数呈下降趋势,趋势逐渐变缓。与室温相比,高温下的摩擦系数更小。室温下AT55陶瓷刀具材料主要磨损机理是粘结磨损附带磨粒磨损;高温下刀具材料的主要磨损机理为磨粒磨损和氧化磨损。对比研究了两种高温性能不同的AT55和ATT5陶瓷刀具在干车削H13钢时的切削性能。首先,采用AdvantEdge软件仿真分析了切削速度对陶瓷刀具表面温度分布和切削力的影响;并结合陶瓷刀具高温力学性能变化规律,拟定了切削实验的参数范围:切削速度50~150m/min,切削深度0.5mm,进给量0.1mm/r。切削实验结果表明:随着切削速度的提高,两种陶瓷刀具的寿命都先升高后降低,在100m/min的切削速度下刀具寿命最长;并且高温力学性能较高的AT55陶瓷刀具切削性能优于室温力学性能较高的ATT5陶瓷刀具。可见刀具的切削性能与刀具材料高温力学性能直接相关,而与室温力学性能关系较小。基于陶瓷刀具高温力学行为演变,分析了刀具的失效机理。在低速下,切削温度相对较低,工件硬度较高,切削力大,刀具的主要失效形式为破损崩刃,破损前主要的磨损机理为粘结磨损和磨粒磨损。中等速度时,由于切削温度的升高,工件材料软化,切削力降低,此温度下陶瓷刀具材料氧化较轻,高温力学性能虽有下降但仍保持在较高的水平,刀具失效形式以磨损为主,主要包括后刀面磨损、月牙洼磨损和边界磨损,主要的磨损机理为粘结磨损、磨粒磨损和轻微的氧化磨损。高速下,切削温度达到900℃,由于陶瓷刀具材料在该温度下晶界软化引起抗弯强度的严重下降,导致刀具失效形式以破损为主,并伴有高温下刀具材料氧化反应引起的后刀面磨损和前刀面月牙洼磨损。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG711

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【参考文献】
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