自润滑陶瓷刀具材料的梯度设计及应用

论文摘要

针对目前自润滑刀具的减摩性能和耐磨性能不能合理兼顾的难题，将功能梯度材料的设计思想引入自润滑陶瓷刀具的设计和制造中，成功的制备出梯度自润滑陶瓷刀具，并对其物理力学性能、微观组织和残余应力进行了研究。通过对梯度自润滑陶瓷刀具材料的物理化学相容性分析计算，确定了Al2O3/TiC/CaF2和Al2O3/（W,Ti）C/CaF2两个组分体系并计算了各层物性参数。建立了梯度自润滑陶瓷刀具材料的物理模型、组成分布模型和物性参数模型，采用有限元方法分析了组成分布指数和层数对陶瓷刀具残余应力的影响。结果表明：梯度自润滑陶瓷刀具材料的表层形成残余压应力，中间层形成残余拉应力。确定了最佳组成分布指数为1.8，最佳层数为7层。此时径向最大压应力达到-117.6MPa，最大Von Mises等效应力为119.3MPa。分别分析了层厚、热膨胀系数之差和分布指数、热膨胀系数之差和弹性模量对梯度自润滑陶瓷刀具材料的残余应力影响，结果表明：表层加厚后，最大径向拉应力增大、最大径向压应力减小，同时最大Von Mises等效应力增大。根据应力曲线得到的应力值与有限元计算的应力值存在一定的误差，最大径向压应力的相对误差在0.5%-1.4%之内，最大径向拉应力和最大Von Mises等效应力的相对误差分别在4.7%-8.2%、4.0%-7%左右，但应力分布总体趋势相同。利用热压烧结工艺制备出不同分布指数和组分的梯度自润滑陶瓷刀具材料，进行了物理力学性能测试与微观结构分析，并通过压痕法测量残余应力，与有限元法的计算结果进行比较。结果表明：对于Al2O3/TiC/CaF2系材料，分布指数为1.8时，材料具有较高的硬度和断裂韧性，分别为12.71GPa和3.86MPa·m1/2；对于Al2O3/（W,Ti）C/CaF2系材料，硬度和断裂韧性分别达到了15.36GPa和4.02MPa·m1/2，试验结果与理论分析结果吻合。同时，层间界面比较清晰，整个材料的组成分布和显微结构是连续变化的，而且层间结合良好，没有裂纹和缺陷。通过有限元方法和压痕法计算得到的残余应力具有相同的分布趋势，且相对误差为5.7%-12.6%。因此，有限元法可用于快速准确的进行残余应力的计算而无需进行实验测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 自润滑陶瓷刀具材料的研究进展
• 1.1.1 陶瓷刀具材料
• 1.1.2 自润滑材料
• 1.1.3 自润滑刀具材料
• 1.2 梯度陶瓷刀具材料的设计进展
• 1.2.1 组成分布函数
• 1.2.2 物性参数模型
• 1.2.3 组成分布指数
• 1.2.4 梯度层厚度设计
• 1.2.5 梯度层数设计
• 1.2.6 热应力模拟与计算
• 1.3 本课题的研究目的、意义及内容
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 2O₃/TiC/CaF₂梯度自润滑陶瓷刀具材料的设计'>第2章 Al₂O₃/TiC/CaF₂梯度自润滑陶瓷刀具材料的设计
• 2.1 梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的产生
• 2.2 梯度自润滑陶瓷刀具材料体系的选择
• 2.3 设计模型
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 组成分布模型
• 2.3.3 物性参数模型
• 2.4 梯度自润滑陶瓷刀具材料的有限元建模
• 2.4.1 物理性能计算
• 2.4.2 有限元分析模型的建立
• 2.5 梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力分析
• 2.5.1 分布指数对径向应力的影响
• 2.5.2 分布指数对等效应力的影响
• 2.5.3 层数对残余应力的影响
• 2.6 本章小结
• 2O₃/（W,Ti）C/CaF₂梯度自润滑陶瓷刀具材料的设计'>第3章 Al₂O₃/（W,Ti）C/CaF₂梯度自润滑陶瓷刀具材料的设计
• 3.1 梯度自润滑陶瓷刀具材料体系的选择
• 3.1.1 化学相容性分析计算
• 3.1.2 物理相容性分析
• 2O₃/（W,Ti）C/CaF₂材料体系物性参数的确定'>3.1.3 Al₂O₃/（W,Ti）C/CaF₂材料体系物性参数的确定
• 3.2 层厚与梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的关系
• 3.2.1 梯度层厚度对残余应力的影响
• 3.2.2 表层加厚对残余应力的影响
• 3.3 热膨胀系数和分布指数与梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的关系
• 3.3.1 层间热膨胀系数之差对残余应力的影响
• 3.3.2 相同热膨胀系数之差对不同层数材料应力的影响
• 3.3.3 热膨胀系数之差和分布指数对残余应力的影响
• 3.4 热膨胀系数和弹性模量与梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的关系
• 3.4.1 热膨胀系数之差和弹性模量对残余应力的影响
• 3.4.2 应力关系图的应用与验证
• 3.5 烧结温度与梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的关系
• 3.6 本章小结
• 第4章 梯度自润滑陶瓷刀具材料的制备及实验验证
• 4.1 梯度自润滑陶瓷刀具材料的原料处理及制备工艺
• 4.2 梯度自润滑陶瓷刀具材料的力学性能
• 4.2.1 性能测试方法
• 4.2.2 梯度自润滑陶瓷刀具材料的物理力学性能
• 4.3 梯度自润滑陶瓷刀具材料的显微结构
• 4.4 残余应力的测试方法
• 4.5 残余应力的测量与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间主要科研成果
• 一、发表学术论文
• 二、参加的科研课题
• 三、发明专利
• 四、获得的奖励