梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备及性能研究

【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Al_2O_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316L不锈钢切削试验,研究了Al_2O_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Al_2O_3的体积含量为54%、TiCN含量为45%、MgO和NiO各为5%时,在烧结温度1650℃、烧结压力30MPa、保温时间10min,获得综合性能较好的梯度纳米复合陶瓷材料,抗弯强度为810MPa、硬度19.5GPa、断裂韧性6.6MPa·m~(1/2)。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ANSYS仿真了Al_2O_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DERORM-2D对Al_2O_3基梯度纳米复合刀具切削加工316L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:Al_2O_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316L不锈钢,研究了Al_2O_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。加工316L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。

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG711