纳—微米复合陶瓷刀具材料的研制及其制备过程模拟研究

论文摘要

本文针对目前陶瓷刀具综合力学性能较低的现状，基于多元多尺度的设计思想，根据材料制备时的物理相容性、化学相容性、良好烧结性等原则，选择纳米Al2O3为基体，并添加微米Al2O3和微米SiC作为第二相，在添加一定量烧结助剂Ni，Mo和添加剂Y2O3和MgO条件下，采用真空热压烧结工艺，制备了纳米Al2O3基复合陶瓷刀具材料，并研究了烧结工艺对材料力学性能和材料微观结构的影响，对烧结材料的摩擦磨损性能进行了分析。建立了材料微观组织模拟的二维和三维模型，初步模拟了两相材料的微观结构。在烧结温度为1550℃、1620℃、1690℃时，实验研究了纳米Al2O3基纳微米复相陶瓷材料的抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度，并对试样的断口形貌进行分析。研究表明，含有Y2O3的A02、A03样，晶界清晰。在1620℃时，A03样的抗弯强度为547MPa，断裂韧性为4.74MPa m1/2，维氏硬度为16.69GPa。分析了相同材料在不同烧结温度下的力学性能，也分析了相同实验条件下，材料不同组份对材料力学性能的影响。对比了A04样，A05样，A06样的微观结构，发现随着纳米Al2O3含量的降低，微观组织结构晶界清晰，晶粒大小比较均匀，因此材料具有较好的力学性能。在1620℃时，A06样的抗弯强度为592MPa，断裂韧度为4.55MPa·m1/2，维氏硬度为17.12GPa，断裂方式主要以穿晶断裂和沿晶断裂为主，压痕裂纹以裂纹偏转、裂纹桥联和裂纹分枝为主。对所制备的纳米Al2O3基复合陶瓷刀具材料进行了摩擦磨损性能实验研究，采用扫描电镜观察了磨损表面的微观形貌。研究了纳米Al2O3基复合陶瓷刀具材料的摩擦磨损机理，纳米Al2O3基复合陶瓷刀具材料的摩擦磨损形式主要以粘着磨损和磨粒磨损为主。在不同的法向载荷和转速下，研究了相同材料的摩擦系数和磨损率的变化规律。在法向载荷为300N，转速为160r/min的条件下，A01样、A02样、A03样，A04样，A05样的磨损率分别是2.41×10-7mm3/N m、1.19×10-7mm3/N m、2.39×10-7mm3/N m、6.05×10-7mm3/N m、3.68×10-7mm3/N m，建立了纳-微米复相陶瓷刀具材料微观组织模拟的二维和三维模型，初步模拟了两相材料的微观结构，与实验制备的纳米Al2O3基复合陶瓷刀具材料的断面SEM进行了比较，模拟结果表明在第二相的周围的基体尺寸较小，验证了添加第二相对材料的晶粒长大有阻碍作用。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 陶瓷刀具的材料的研究现状
• 1.2 纳米复合陶瓷材料的研究现状
• 1.2.1 纳米复合材料的简述
• 1.2.2 纳米陶瓷材料的增韧补强机理
• 1.3 多元多尺度纳米复合陶瓷材料的进展
• 1.4 材料微观组织结构的计算模拟方法
• 1.4.1 材料微观组织的波茨蒙特卡罗三维模拟
• 1.4.2 材料微观组织的元胞自动机三维模拟
• 1.4.3 材料微观组织的相场法三维模拟
• 1.4.4 材料微观组织的典型代表元法三维模拟
• 1.5 本课题的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 本课题的研究目的、意义
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 2O₃基复相陶瓷刀具材料的设计、制备及性能分析'>第2章 纳米 Al₂O₃基复相陶瓷刀具材料的设计、制备及性能分析
• 2O₃基复相陶瓷刀具材料体系中添加相的选择原则'>2.1 纳米 Al₂O₃基复相陶瓷刀具材料体系中添加相的选择原则
• 2O₃基复相陶瓷刀具材料的制备工艺'>2.2 纳米 Al₂O₃基复相陶瓷刀具材料的制备工艺
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 复合粉末制备
• 2.2.3 烧结过程
• 2O₃基复相陶瓷刀具材料的力学性能及其显微组织分析方法'>2.3 纳米 Al₂O₃基复相陶瓷刀具材料的力学性能及其显微组织分析方法
• 2.3.1 抗弯强度
• 2.3.2 断裂韧性
• 2.3.3 维氏硬度
• 2.3.4 组成及其微观组织分析方法
• 2.4 纳米 Al2O3基复相陶瓷刀具材料的力学性能与显微组织结构
• 2.5 纳米 Al2O3基复相陶瓷材料的力学性能和显微组织
• 2.5.1 纳米 Al2O3的含量对材料力学性能的影响
• 2.5.2 不同烧结温度下材料的显微组织
• 2.6 不同烧结温度下材料的力学性能
• 2.7 本章总结
• 第3章 纳米 Al2O3基复相陶瓷材料的摩擦磨损行为研究
• 3.1 摩擦磨损实验方法
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验内容
• 3.1.3 实验测试方法
• 3.2 纳米 Al2O3基复相陶瓷刀具材料摩擦性能研究
• 3.2.1 摩擦系数随摩擦时间的变化
• 3.2.2 摩擦性能研究
• 3.2.3 磨损率性能研究
• 3.3 纳米 Al2O3基复相陶瓷刀具材料磨损机理的研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 材料微观组织结构的模拟
• 4.1 蒙特卡罗波茨模型的建立
• 4.1.1 蒙特卡洛波茨晶格点阵模型的建立
• 4.1.2 蒙特卡洛波茨系统能量模型的建立
• 4.1.3 改进的蒙特卡洛模拟算法
• 4.1.4 模拟程序流程图
• 4.2 烧结过程中两相陶瓷刀具材料的微观组织演变的模拟结果
• 4.3 三维模型的建立与模拟结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文与奖励