梯度納米復合陶瓷刀具材料的制備與性能.研究

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1、原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：獄札’關(guān)于學位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解山東大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其

2、他復制手段保存論文和匯編本學位論文。(保密論文在解密后應遵守此規(guī)定)論文作者簽名：鍪熱導師簽名：日期：業(yè)·／廠緒論第1章緒論1．1陶瓷刀具材料的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代陶瓷刀具材料多為復相陶瓷，系采用各種各種超細氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等為基本組分，根據(jù)不同的增韌補強機理進行微觀結(jié)構(gòu)設計，添加一定比例的一種或幾種增強相后燒結(jié)而成。其中，A1203、Si3N4系以及SiMon是主要的三類陶瓷刀具材料。而增強相主要有：TiC、TiN、TiB2、SiCp、SiCw、Ti(CN)、WC、M02C、Zr02、B4C、ZrB2、Ti(BN)等。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)成

3、功并商品化的陶瓷刀具有上百種。其中，國外形成商品化的A1203系陶瓷刀具達30余種【1】；在美國、德國、日本，Si3N4系陶瓷刀具發(fā)展較快，形成了20多個品種。在國內(nèi)，山東大學、清華大學、成都工具研究所、上海硅酸鹽研究所等單位在陶瓷刀具的研究方面處于領(lǐng)先地位，開發(fā)了多種舢203系和Si3N4系【2，31陶瓷刀具，比較典型的牌號有LT55、SG-4、JX．1、Jx．2、LP．1、LP．2、FG．1、FG．2、SM、FT80等卜7】。雖然陶瓷刀具材料已商品化并廣泛使用，但脆性大、韌性低、抗彎強度不高、抗熱震性能欠佳等缺點一直制約著陶瓷刀具的發(fā)展p1。通

4、過對陶瓷刀具材料進行納米改性，使陶瓷刀具材料強度明顯提高。而梯度功能材料具有優(yōu)異的隔熱、防熱和緩解熱應力的功能，將使高速切削過程中刀具材料熱沖擊斷裂和熱破損問題得到改善，同時很好地解決金屬和陶瓷強行匹配而引起的粘結(jié)強度低和熱膨脹失配等問題。將納米復合陶瓷材料與梯度功能材料二者優(yōu)點結(jié)合，將會給陶瓷刀具材料帶來更廣闊的發(fā)展空間，陶瓷刀具材料也將在未來的切削加工中扮演更為重要的角色。1．2陶瓷刀具材料的增韌補強機理1．2．1顆粒彌散增韌顆粒彌散增韌主要是在陶瓷基體中加入高彈性模量的第二相粒子，顆粒在基山東大學碩十學何論文體材料拉伸時阻止橫向截面的收縮。要

5、達到和基體相同的橫向收縮，必須增加縱向拉應力，從而具有強化效果。增加外界拉應力就使材料消耗更多的能量，因而具有增韌效果。此外，顆粒對裂紋的釘扎作用和使裂紋產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)效應，也都能起到增韌作用。顆粒彌散增韌不受溫度影響，因此可作為一種高溫增韌機制。A1203／TiC，A1203／TiN，A1203／TiC等陶瓷刀具材料均采用了顆粒彌散增韌來提高材料的斷裂韌性，其增韌幅度不大【9~111。1．2．2相變增韌相交增韌陶瓷刀具材料的增韌機理主要包括應力誘導相變增韌和微裂紋增韌，目前研究較多的是應力誘導相變增韌主要利用四方Zr02馬氏體相變來改善陶瓷材料的韌性

6、，表達為【12】：從7'=AEcCrV4Z,"(1-1)式中，△Kr——應力誘導相變增韌大小；彳——小于l的常數(shù)；艮一加入Zr02后復合材料的彈性模量；￡7’——Zr02在自由狀態(tài)的相變應變；V——可產(chǎn)生應力誘導相變t-Zr02體積分數(shù)；礦——相變寬度。該增韌機制的主要特點是增韌幅度大，可使材料的斷裂韌性提高2～5倍，但增韌效果隨溫度的升高而急劇下降，約在8000C以上完全失效。微裂紋增韌主要是利用Zr02相變產(chǎn)生的的體積膨脹在基體內(nèi)產(chǎn)生微裂紋或微裂紋區(qū)。當主裂紋進入微裂紋作用區(qū)后，誘發(fā)一系YUd,裂紋，產(chǎn)生新的斷裂表面，從而吸收主裂紋擴展的能量。

7、微裂紋增韌效果為【12】：刖％．----427'EmZ)(1—2)式中，肟一裂紋面密度；驢一微裂紋區(qū)的大??；弘卜分別為復合材料彈性模量和斷裂表面能。微裂紋增韌同時伴隨著強度的降低，關(guān)鍵是控制微裂紋的尺寸，使之不能超過材料所允許的臨界裂紋尺寸，否則將成為宏觀裂紋。微裂紋增韌不受溫度的影2緒論響。相變增韌的陶瓷刀具材料與顆粒增韌的陶瓷刀具材料相比，增韌幅度大，但硬度低，制造工藝復雜，價格較高。并且由于應力誘導相變增韌的增韌效果隨溫度的升高而急劇下降，因而該類陶瓷刀具不適于高速切削的場合，其應用范圍受到了一定的限制113～151。1．2．3晶須增韌晶須增

8、韌陶瓷刀具材料的增韌機理主要有：拔出效應、橋接增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和微裂紋增韌【7,16]。(1)拔出效應晶須在外界載荷作用