梯度纳米复合陶瓷刀具材料的制备与性能.研究

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1、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：狱札’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

2、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：鍪热导师签名：日期：业·／厂绪论第1章绪论1．1陶瓷刀具材料的研究现状现代陶瓷刀具材料多为复相陶瓷，系采用各种各种超细氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等为基本组分，根据不同的增韧补强机理进行微观结构设计，添加一定比例的一种或几种增强相后烧结而成。其中，A1203、Si3N4系以及SiMon是主要的三类陶瓷刀具材料。而增强相主要有：TiC、TiN、TiB2、SiCp、SiCw、Ti(CN)、WC、M02C、Zr02、B4C、ZrB2、Ti(BN)等。目前，国内外已经开发成

3、功并商品化的陶瓷刀具有上百种。其中，国外形成商品化的A1203系陶瓷刀具达30余种【1】；在美国、德国、日本，Si3N4系陶瓷刀具发展较快，形成了20多个品种。在国内，山东大学、清华大学、成都工具研究所、上海硅酸盐研究所等单位在陶瓷刀具的研究方面处于领先地位，开发了多种舢203系和Si3N4系【2，31陶瓷刀具，比较典型的牌号有LT55、SG-4、JX．1、Jx．2、LP．1、LP．2、FG．1、FG．2、SM、FT80等卜7】。虽然陶瓷刀具材料已商品化并广泛使用，但脆性大、韧性低、抗弯强度不高、抗热震性能欠佳等缺点一直制约着陶瓷刀具的发展p1。通

4、过对陶瓷刀具材料进行纳米改性，使陶瓷刀具材料强度明显提高。而梯度功能材料具有优异的隔热、防热和缓解热应力的功能，将使高速切削过程中刀具材料热冲击断裂和热破损问题得到改善，同时很好地解决金属和陶瓷强行匹配而引起的粘结强度低和热膨胀失配等问题。将纳米复合陶瓷材料与梯度功能材料二者优点结合，将会给陶瓷刀具材料带来更广阔的发展空间，陶瓷刀具材料也将在未来的切削加工中扮演更为重要的角色。1．2陶瓷刀具材料的增韧补强机理1．2．1颗粒弥散增韧颗粒弥散增韧主要是在陶瓷基体中加入高弹性模量的第二相粒子，颗粒在基山东大学硕十学何论文体材料拉伸时阻止横向截面的收缩。要

5、达到和基体相同的横向收缩，必须增加纵向拉应力，从而具有强化效果。增加外界拉应力就使材料消耗更多的能量，因而具有增韧效果。此外，颗粒对裂纹的钉扎作用和使裂纹产生的偏转效应，也都能起到增韧作用。颗粒弥散增韧不受温度影响，因此可作为一种高温增韧机制。A1203／TiC，A1203／TiN，A1203／TiC等陶瓷刀具材料均采用了颗粒弥散增韧来提高材料的断裂韧性，其增韧幅度不大【9~111。1．2．2相变增韧相交增韧陶瓷刀具材料的增韧机理主要包括应力诱导相变增韧和微裂纹增韧，目前研究较多的是应力诱导相变增韧主要利用四方Zr02马氏体相变来改善陶瓷材料的韧性

6、，表达为【12】：从7'=AEcCrV4Z,"(1-1)式中，△Kr——应力诱导相变增韧大小；彳——小于l的常数；艮一加入Zr02后复合材料的弹性模量；￡7’——Zr02在自由状态的相变应变；V——可产生应力诱导相变t-Zr02体积分数；矿——相变宽度。该增韧机制的主要特点是增韧幅度大，可使材料的断裂韧性提高2～5倍，但增韧效果随温度的升高而急剧下降，约在8000C以上完全失效。微裂纹增韧主要是利用Zr02相变产生的的体积膨胀在基体内产生微裂纹或微裂纹区。当主裂纹进入微裂纹作用区后，诱发一系YUd,裂纹，产生新的断裂表面，从而吸收主裂纹扩展的能量。

7、微裂纹增韧效果为【12】：刖％．----427'EmZ)(1—2)式中，肟一裂纹面密度；驴一微裂纹区的大小；弘卜分别为复合材料弹性模量和断裂表面能。微裂纹增韧同时伴随着强度的降低，关键是控制微裂纹的尺寸，使之不能超过材料所允许的临界裂纹尺寸，否则将成为宏观裂纹。微裂纹增韧不受温度的影2绪论响。相变增韧的陶瓷刀具材料与颗粒增韧的陶瓷刀具材料相比，增韧幅度大，但硬度低，制造工艺复杂，价格较高。并且由于应力诱导相变增韧的增韧效果随温度的升高而急剧下降，因而该类陶瓷刀具不适于高速切削的场合，其应用范围受到了一定的限制113～151。1．2．3晶须增韧晶须增

8、韧陶瓷刀具材料的增韧机理主要有：拔出效应、桥接增韧、裂纹偏转增韧和微裂纹增韧【7,16]。(1)拔出效应晶须在外界载荷作用