收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究

周咏辉  
【摘要】: 纳米复合陶瓷刀具材料的计算设计是当前国际上该领域内的重大研究方向之一。本文提出了基于Mori-Tanaka方法的纳米复合陶瓷刀具材料设计方法,研究纳米复合陶瓷刀具材料的微观结构与宏观力学性能的关系,预测纳米复合陶瓷刀具材料的强度、断裂韧度及硬度,优化纳米复合陶瓷刀具材料的制备工艺参数,并对纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能与微观组织结构之间的关系、材料断裂机制、刀具的切削性能和磨损破损机理等进行了分析与研究。 提出了基于Mori-Tanaka方法的纳米复合陶瓷刀具材料设计方法,详细讨论了刀具材料中的组分设计、物化相容性分析以及微观结构设计。为获得具有较高致密度的陶瓷素坯,应用多组元双尺度球形颗粒堆积模型,计算求得纳米复合陶瓷刀具材料体系中最佳的纳米颗粒与微米颗粒的粒度比及纳米颗粒体积分数。 根据自洽理论,应用Mori-Tanaka方法建立了二相胞元的刚度预报模型,预测了Al_2O_3/(W,Ti)C(简称AWT)纳米复合陶瓷刀具材料的有效弹性模量。复合陶瓷刀具材料的有效弹性模量随增强相体积含量的增大而增大,增强相颗粒大小对有效弹性模量的影响不是很明显。 在纳米复合陶瓷刀具材料三相模型的基础上,应用Mori-Tanaka方法和微裂纹能量释放理论,推导出包含随机分布微裂纹的材料强度预测公式;结合已有的材料断裂韧度预测公式,建立了纳米复合陶瓷刀具材料断裂韧度预测公式。结果表明,增强相粒径对AWT纳米复合陶瓷刀具材料预测强度的影响很明显,粒径越小材料强度越高,增强相体积分数对强度的影响不算大;粒度对材料的韧性影响也很大,粒度越小材料的断裂韧度越大;材料的断裂韧度随增强相体积含量的增大先增大后减小,增强相体积含量为25%~50%时,材料的断裂韧度相对较高。 从纳米复合陶瓷材料组分的原子硬度、离子硬度和键硬度这三个微观层次上研究材料硬度的本质,根据键硬度理论,应用混合法则,建立了纳米复合陶瓷刀具材料的硬度预测公式。结果表明,AWT材料的硬度随增强相体积分数的增大而提高。 优化了AWT纳米复合陶瓷刀具材料的热压烧结工艺参数。在宏观力学性能理论预测的指导下,通过对纳米复合陶瓷刀具材料烧结温度和保温时间的优化设计,确定了AWT10纳米复合陶瓷刀具材料较为适合的烧结温度为1700℃、保温时间为10min、烧结压力为30MPa。制备的AWT10纳米复合陶瓷刀具材料的综合力学性能最好,其抗弯强度为930MPa,维氏硬度为23.5.GPa,断裂韧度为7.55MPa·m~(1/2)、导热系数为12.6W/(m·K)。 研究了AWT10纳米复合陶瓷刀具材料的显微组织结构、裂纹扩展形式和断裂机制。结果表明,材料微观结构主要为晶内/晶间混合型,材料的断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合,裂纹的弯曲、偏转、桥联、分叉等使裂纹在扩展过程中消耗更多的能量,从而促进了材料强度和断裂韧度的提高 研究了纳米复合陶瓷刀具材料的强韧化机理。建立了AWT纳米复合陶瓷刀具材料内晶/晶间型结构残余热应力分析模型,计算了材料内部的残余热应力。纳米复合陶瓷刀具材料中拉、压应力区的结构形式与纳米基体颗粒及增强相颗粒的分布方式密切相关。在残余热应力场中,裂纹易于偏转或钉扎。在残余压应力作用下,晶界结合强度得到增强,在晶界处易于出现位错。这些特征的存在致使裂纹在扩展过程中需要消耗更多的能量,因此促进了材料强度和断裂韧度的提高。此外,纳米颗粒的引入,进一步细化晶粒,从而强化材料。 研究了AWT10纳米复合陶瓷刀具连续车削淬硬45钢和淬硬工具钢T10A时的刀具寿命、切削力及切削温度,深入研究了刀具磨损破损特征、机理及其与微观组织结构的关系。结果表明,AWT10的刀具寿命比同组分的微米级SG-4刀具大幅提高,且适于淬火钢的高速精加工。AWT10刀具连续车削淬硬45钢时刀具的磨损机理主要是磨粒磨损和粘结磨损。AWT10刀具连续车淬硬工具钢T10A时随着切削速度的提高,刀具的失效形式从磨损转变为破损。 研究了AWT10纳米复合陶瓷刀具断续车削淬硬45钢时的切削性能及刀具破损形态和机理。AWT10的刀具寿命在低速和高速下均优于SG-4刀具,其刀具寿命约为SG-4的1.2倍左右。低速断续车削淬硬45钢时,机械冲击是AWT10刀具破损的主要原因,刀具除发生破损外还具有明显的磨损特征,磨损机理主要为粘结磨损和磨粒磨损;而高速断续切削淬硬45钢时,机械应力和热应力共同作用是AWT刀具破损的主要原因。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 姚淑卿;邢书明;邓建新;;Al_2O_3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析[J];摩擦学学报;2006年06期
2 黄传真,艾兴,王景海;新型复相陶瓷刀具材料的研制及切削可靠性研究[J];安徽科技;1997年05期
3 许崇海,艾兴,黄传真,邓建新,孙京田;稀土添加剂陶瓷刀具材料增韧机制的微观结构的观察[J];电子显微学报;1999年04期
4 刘国昌;陶瓷刀具材料的研究与进展[J];滁州职业技术学院学报;2005年02期
5 溯舟;陶瓷刀具材料的发展拾零[J];工具技术;1981年07期
6 段继光;金湘中;;陶瓷刀具的生产与应用概况[J];工具技术;1993年01期
7 许崇海,艾兴,黄传真,邓建新;钇对陶瓷刀具材料Al_2O_3/TiCN的强韧化效应[J];中国稀土学报;1999年01期
8 许崇海,黄传真,艾兴,赵忠元;复相陶瓷刀具材料设计的理论框架[J];中国机械工程;2001年10期
9 萧虹;艾兴;;现代陶瓷刀具材料的发展及应用(上)—氧化铝系陶瓷[J];现代制造工程;1989年08期
10 王宏志,高濂,李炜群;非均相沉淀法制备Al_2O_3-YAG复相陶瓷[J];无机材料学报;2000年01期
11 朱荣富;陶瓷刀具的切削加工[J];机械科学与技术;1985年02期
12 黄逸爽;;氮化硅基陶瓷刀具材料——Sialon的性能及使用[J];新技术新工艺;1986年04期
13 朱国辉;卢文增;;陶瓷刀具开发应用的技术和经济评价[J];安徽工业大学学报(自然科学版);1991年02期
14 陈建林,陶志宁,王炳坤;粉煤灰中铝盐提取的研究[J];环境导报;1994年04期
15 葛启录,高增森,雷廷权,焦炜光;热压Al_2O_3-ZrO_2(6mol%Y_2O_3)陶瓷复合材料的组织性能研究[J];硅酸盐通报;1995年02期
16 张谦温,张菡,刘新香,朱起明;Al_2O_3-TiO_2为载体的前加氢催化剂研究[J];石油化工;2000年06期
17 王丽,段心翠;铁精粉中Al_2O_3的快速测定—铬天青S光度法[J];山东冶金;2000年02期
18 杨丽祥;复合陶瓷刀具材料的现状与发展[J];云南冶金;2000年05期
19 李月明,周健儿,顾幸勇,马光华;溶胶—凝胶法制备Al_2O_3纳米粉[J];中国陶瓷;2002年05期
20 叶毅,叶伟昌;陶瓷刀具材料的种类与应用[J];硬质合金;2003年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 贺辛亥;王俊勃;申明乾;秦辉;杨敏鸽;付翀;;生物模板法制备Al_2O_3遗态陶瓷[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
2 季凌飞;陈晓川;鲍勇;闫胤洲;蒋毅坚;;Al_2O_3电子陶瓷基板无切面条纹激光精细切割技术研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
3 范晓丹;张襄楷;徐廷献;;烟气脱硫用γ-Al_2O_3复合膜的制备与表征[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
4 張合;藍胄偉;卓清松;;Al_2O_3奈米颗粒润滑油应用于气压缸之摩擦特性分析[A];第六届海峡两岸超微颗粒学术研讨会论文集[C];2009年
5 祝刚;王金渠;李邦民;;在α-Al_2O_3陶瓷管上P型沸石膜的合成及表征[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
6 游佩青;楊榮澤;陳智成;顔富士;;堆积密度对θ-至α-Al_2O_3相转换过程临界晶径之影响[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(上)[C];2008年
7 丁宏秋;胡彦杰;李春忠;;多重射流燃烧反应器制备Al_2O_3纳米颗粒及其结构调控[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
8 郑吉红;洪学勤;雷中兴;田先明;王志强;姚亚双;;ρ-Al_2O_3与纯铝酸钙水泥结合的刚玉质浇注料性能的比较[A];2011全国不定形耐火材料学术会议论文集[C];2011年
9 蔡定侃;江安洲;唐哲偉;林隆煦;許喬茵;方昭訓;;无电镀复合镀制备Al_2O_3-黑镍太阳光选择性复合膜之光学性能[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
10 肖伶俐;周继承;孙若力;;微波高温煅烧制备纳米α-Al_2O_3的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第4分册)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周咏辉;Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D];山东大学;2009年
2 李艳征;Al_2O_3基梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能研究[D];山东大学;2011年
3 黄康明;Al_2O_3陶瓷基层状复合材料的制备和性能研究[D];华南理工大学;2011年
4 王珉;基于元胞自动机模型的陶瓷刀具材料及其切削性能研究[D];山东大学;2012年
5 周婷婷;陶瓷刀具材料纳观界面行为和微观断裂行为模拟研究[D];山东大学;2012年
6 郝松;三维三相陶瓷刀具材料微观组织的模拟研究[D];山东大学;2012年
7 王颖;Al_2O_3陶瓷的反应金属化及其与5A05合金扩散钎焊机理研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 郑光明;Sialon-Si_3N_4梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D];山东大学;2012年
9 成红梅;纳米复合陶瓷刀具材料多尺度模拟研究[D];山东大学;2011年
10 崇学文;碳热还原合成晶须增韧陶瓷刀具研究[D];山东大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱小辉;陶瓷刀具材料微观尺度有限元模拟模型及其应用研究[D];山东大学;2011年
2 张永莲;自润滑陶瓷刀具材料的梯度设计及应用[D];山东轻工业学院;2012年
3 吴光永;梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制及其减摩耐磨机理研究[D];山东轻工业学院;2012年
4 周有欣;纳米复合陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟研究[D];山东大学;2010年
5 李鸿杰;纳米Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料力学性能的研究[D];中北大学;2011年
6 范瑞瑞;原位合成法制备Al_2O_3颗粒增强铁基复合材料[D];河南科技大学;2012年
7 张莉;α-Al_2O_3粉体的廉价制备及性能研究[D];武汉科技大学;2012年
8 赖欣;Al/α-Al_2O_3界面裂纹扩展的分子动力学模拟[D];武汉理工大学;2010年
9 宋万仓;金属基不锈钢表面上Al_2O_3涂层的制备[D];大连理工大学;2010年
10 苏利红;Al_2O_3/Ti(C,N)基和Si_3N_4基陶瓷刀具材料的制备[D];东北大学;2008年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978