论文摘要
本文针对目前陶瓷刀具综合力学性能较低的难题,基于多元多尺度的设计思想,根据物理相容性、化学相容性、良好烧结性和导电性的原则,选择微米TiN和纳米TiN颗粒为添加相,Ni和Mo为金属粘结相,采用液相热压烧结工艺,研制成功了新型多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料,系统研究了其烧结工艺、力学性能和微观结构之间的关系,分析了材料增韧补强机理,研究了新型陶瓷刀具的切削性能。实验研究了不同分散条件对多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料显微结构和力学性能的影响。结果表明,分散介质为无水乙醇时材料各项力学性能明显优于分散介质为去离子水时材料的力学性能。分散介质为去离子水时,TiN能与水蒸气发生反应,导致材料性能恶化;分散介质为无水乙醇时,材料晶粒结合紧密,晶界干净,无反应发生,有利于材料力学性能的提高。研制成功了新型多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料BN10N5-2和BN20N5-2,其最佳烧结工艺条件为烧结温度1550℃、保温25min和压力25MPa,BN10N5-2的抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为1056MPa、6.52 MPa·m1/2和18.6GPa,而BN20N5-2材料的力学性能分别为1053MPa、6.92 MPa·m1/2和18.8GPa。对显微结构的研究表明,微米TiN和纳米TiN的加入明显起到了细化晶粒的作用,断口粗糙,晶粒拔出和穿晶断裂明显增多,气孔率下降。研究了多元性和多尺度对新型多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响。金属相Ni和Mo能改善界面结合强度,产生裂纹桥联、裂纹穿晶和裂纹偏转作用;TiN颗粒能抑制基体颗粒的长大,产生裂纹偏转、裂纹钉扎和残余应力增韧机制,TiN颗粒还容易发生位错,产生位错增韧补强作用。多尺度TiN颗粒产生残余应力场增韧和裂纹偏转增韧机理,内晶型纳米TiN颗粒能产生前扩展区宽化增韧机制,同时内晶型纳米TiN颗粒能有效减小裂纹扩展长度,提高材料的强度,诱发穿晶断裂。研究了BN10N5-2和BN20N5-2连续切削淬火40Cr合金钢、淬火45#钢和淬火T10A时的切削性能及刀具失效机理,并与SG4刀具的切削性能进行对比。结果表明,在连续切削淬火40Cr合金钢时,BN10N5-2、BN20N5-2与SG4刀具的切削性能相当,低速切削时BN10N5-2抗磨损能力略优于SG4。BN10N5-2和BN20N5-2的主要磨损机理为后刀面磨粒磨损,低速切削时前刀面为磨粒磨损和粘结磨损相结合,高速切削时前刀面为轻微的氧化磨损。在连续切削淬火45#钢时,低速切削时BN10N5-2、BN20N5-2与SG4刀具的切削性能相当,在高速切削时BN10N5-2和BN20N5-2抗磨损能力都优于SG4刀具。BN10N5-2和BN20N5-2的主要磨损机理为后刀面磨粒磨损,低速切削时前刀面为磨粒磨损和粘结磨损相结合,高速切削时前刀面为氧化磨损和粘结磨损为主。在连续切削淬火T10A时,低速切削时BN10N5-2和BN20N5-2都表现出磨损量较大的特征,高速切削时容易发生崩刃。刀具失效形式为磨损与破损相结合,这是切削过程中较大的热应力和机械应力的综合作用的结果,主要磨损机理为后刀面磨粒磨损和前刀面粘结磨损、氧化磨损相结合。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 陶瓷刀具材料的研究现状1.2 纳米复合陶瓷材料的研究现状1.2.1 纳米复合陶瓷材料概述1.2.2 纳米复合陶瓷材料的强韧化效应1.3 多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的研究现状1.3.1 多尺度配比对致密化的影响1.3.2 多元多尺度配比对增韧补强机理的影响1.3.3 多尺度配比对材料烧结性能的影响1.3.4 多元多尺度配比对纳米复合陶瓷材料力学性能的影响2陶瓷材料的研究现状'>1.4 TiB2陶瓷材料的研究现状2材料'>1.4.1 单相TiB2材料2-金属复合材料'>1.4.2 TiB2-金属复合材料2-陶瓷复合材料'>1.4.3 TiB2-陶瓷复合材料2基陶瓷材料研究中存在的问题'>1.4.4 TiB2基陶瓷材料研究中存在的问题1.5 本课题研究的目的、意义及主要研究内容1.5.1 本课题研究的目的和意义1.5.2 本课题的主要研究内容2基纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能和微观结构研究'>第2章 新型多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料的制备、力学性能和微观结构研究2基纳米复合陶瓷刀具材料体系的设计方法与制备工艺'>2.1 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料体系的设计方法与制备工艺2基纳米复合陶瓷刀具材料体系中添加相的选择原则'>2.1.1 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料体系中添加相的选择原则2基纳米复合陶瓷刀具材料的制备工艺'>2.1.2 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料的制备工艺2基纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构的表征'>2.2 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构的表征2.2.1 抗弯强度2.2.2 断裂韧度2.2.3 维氏硬度2.2.4 显微结构2基纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构研究'>2.3 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料力学性能和显微结构研究2.3.1 不同烧结温度下材料的力学性能和显微结构2.3.2 不同分散条件下材料的力学性能和显微结构2.3.3 分散介质为无水乙醇时微米TiN含量对材料的力学性能和显微结构的影响2.3.4 BN10Ny-2材料的力学性能和显微结构2.3.5 BN20Ny-2材料的力学性能和显微结构2.4 本章小结2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理研究'>第3章 新型多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理研究3.1 前言2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响'>3.2 多元性对多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响3.2.1 金属相增韧补强机理分析3.2.2 TiN增韧补强机理分析2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响'>3.3 多尺度对多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具材料增韧补强机理的影响3.4 本章小结2基纳米复合陶瓷刀具的切削性能研究'>第4章 多元多尺度TiB2基纳米复合陶瓷刀具的切削性能研究4.1 陶瓷刀具切削性能研究概况4.1.1 陶瓷刀具的主要磨损形式和磨损机理4.1.2 本章的主要研究内容4.2 连续切削淬火40Cr合金钢时的切削性能4.2.1 试验条件4.2.2 试验结果4.2.3 刀具磨损特性与磨损机理4.3 连续切削淬火45号钢时的切削性能4.3.1 试验条件4.3.2 实验结果4.3.3 刀具磨损特性与磨损机理4.4 连续切削淬火T10A时的切削性能4.4.1 试验条件4.4.2 实验结果4.4.3 刀具磨损特性与磨损机理4.5 本章小结结论参考文献致谢学位论文评阅及答辩情况表
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