（机械设计及理论专业论文）多元多尺度碳化钛基陶瓷刀具研制及切削性能研究.pdf

山东大学硕f j 学化论文 多元多尺度碳化钛基陶瓷刀具研制及切削性能研究宰 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，根据陶瓷基复合材料和陶瓷金属复合材料的设计原则，选择微米a 1 2 0 3 和纳米 a 1 2 0 3 颗粒为添加相，n i 、c o 和m o 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t i c 基纳米复合陶瓷刀具材料，系统研究了其烧结工艺、 力学性能和显微组织之间的关系，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。 实验研究了在相同的烧结温度下，纳米a 1 2 0 3 含量的变化对多元多尺度t i c 基 纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能的影响；在相同的烧结温度下，微米 a 1 2 0 3 含量的变化对多元多尺度t i c 基纳米复合陶瓷刀具材料显微组织和力学性能 的影响；以及烧结温度的变化对多元多尺度t i c 基纳米复合陶瓷刀具材料显微组 织和力学性能的影响。 研制成功了新型多元多尺度t i c 基纳米复合陶瓷刀具材料t a l 0 a 5 ( 微米a 1 2 0 3 的含量为l o v 0 1 和纳米a 1 2 0 3 的含量为5 v 0 1 ) ，其最佳烧结工艺条件为烧结温度 1 6 0 0 、保温2 5 m i n 和压力2 5 m p a ，t a l 0 a 5 的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分 别为9 0 1 m p a 、8 4 6 m p a m m 和2 0 4 3 g p a 。对显微组织的研究表明，微米址0 3 和 纳米a 1 2 0 3 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，致密度上升。金属相的塑性变形和裂纹桥连增韧对材料韧性的贡献比较 大。 研究了多元性和多尺度对新型多元多尺度t i c 基纳米复合陶瓷刀具材料增韧 补强机理的影响。金属相n i 、c o 和m o 对基体具有良好的润湿性，可以增强界面 结合强度，产生裂纹桥联、裂纹穿晶和裂纹偏转作用；多尺度的a 1 2 0 3 颗粒能抑制 基体颗粒的长大，对基体产生增强作用，同时产生裂纹偏转、裂纹钉扎和残余应 力增韧机制，a 1 2 0 3 颗粒还容易诱发位错，产生位错增韧补强作用。多尺度a 1 2 0 3 本课题得到了国家自然科学基金( 5 0 5 0 5 0 2 4 ) 和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金 ( 2 0 0 7 b s 0 5 0 1 0 ) 资助 捅婴 颗粒产生残余应力场增韧和裂纹偏转增韧机理，晶内型纳米a 1 2 0 3 颗粒在基体颗粒 中形成亚晶界，同时金属相和晶界上纳米a 1 2 0 3 颗粒对基体晶界的强化作用，容易 诱发穿晶断裂。 研究了新型陶瓷刀具t a l 0 a 5 连续切削淬火4 0 c r 、球墨铸铁、调质4 5 # 钢和 淬火4 5 # 钢时的切削性能，并与已经商业化的陶瓷刀具l t 5 5 的切削性能进行了对 比。结果表明：t a l 0 a 5 刀具比较适合低速下连续切削淬火4 0 c r 合金钢和高速切 削4 5 # 钢，后刀面的磨损量比较小，加工表面质量也优于商业化的l t 5 5 刀具； t a l 0 a 5 刀具不适合连续切削球墨铸铁，刀具的前、后刀面的磨损量都随时间的增 加迅速增加，没有出现正常磨损阶段。t a l 0 a 5 刀具在切削这四种材料时加工表面 质量都较高，因此较适合用于对这四种材料的精加工。 关键词：多元多尺度；纳米复合陶瓷；t i c ；增韧补强；切削性能 v i l 山东大学硕 学位论文 s t u d yo nf a b r i c a t i o na n dc u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft i c m a t r i x c e r a m i ct o o l sb a s e do nm u l t i p h a s ea n dm u l t i s c a l e a b s t r a c t a i m e da ti m p r o v i n gt h ec o m p l e xm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e r a m i ct o o l ，b a s e do n t h en e wt h o u g h tf o rd e s i g n i n gm u l t i - p h a s ea n dm u l t i s c a l en a n o c o m p o s i t e s ，an e wk i n d o fm u l t i - p h a s ea n dm u l t i s c a l et i cb a s e dn a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l sw e r e d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ec e r a m i cc o m p o s i t em a t e r i a la n d c e r a m i c - m e t a lc o m p o s i t em a t e r i a lo ft h el i q u i d - p h a s eh o t - p r e s s e ds i n t e r i n gt e c h n o l o g y w a sa d o p t e d t h em i c r o - s c a l ea n dn a n o s c a l ea 1 2 0 3p a r t i c l e sw e r ea d d e di n t ot i c m a t r i xw i t hn i ，c oa n dm oa ss i n t e r i n ga d d i t i v e s t h er e l a t i o n s h i pa m o n gs i n t e r i n g p r o c e s s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l et h et o u g h e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m sa sw e l la st h ec u t t i n g p e r f o r m a n c ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n t e n to fn a n o - s c a l ea 1 2 0 3o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em u l t i - - p h a s ea n dm u l t i - s c a l et i cb a s e dn a n o c o m p o s i t e c e r a m i ct o o lm a t e r i a l su n d e rt h es a m et e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo f m i c r o n s c a l ea 1 2 0 3c o n t e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rt h e s a m et e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d a f t e rt h a t ，t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h e m i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et a10 a 5n a n o c o m p o s i t ec e r a m i ct o o l m a t e r i a l sw a s m a i n l yd e v e l o p e d t h en e wk i n do fm u l t i - p h a s ea n dm u l t i s c a l et i cb a s e dn a n o c o m p o s i t ec e r a m i c t o o lm a t e r i a l st a10 a 5 ( t i cm a t r i xw i t h10v 0 1 m i c r o s c a l ea 1 2 0 3a n d5v 0 1 n a n o - s c a l ea 1 2 0 3 ) w e r ef a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yw i t ht h eo p t i m i z e ds i n t e r i n gp r o c e s so f 16 0 0 。cu n d e r2 5 m p aa n dah o l d i n gt i m eo f3 0m i n u t e s t h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，f r a c t u r e t o u g h n e s sa n dv i c k e r sh a r d n e s so ft a l 0 a 5w e r e9 0 1 m p a ，8 4 6m p a m 1 陀a n d 2 0 4 3g p a r e s p e c t i v e l y t h eg r a i n sw e r eo b v i o u s l yr e f i n e db ya d d i n gt h em i c r o - s c a l e t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 5 0 5 0 5 0 2 4 ) a n d t h eo u t s t a n d i n gy o u n gs c i e n t i s tf o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( g r a n tn o 2 0 0 7 b s 0 5 0 1 0 ) v i l l a b s t r a c t a n dn a n o s c a l ea 1 2 0 3p a r t i c l e sa c c o r d i n gt ot h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h e r ew e r em o r ed r a w ng r a i n sa n di n t r a g r a n u l a rf r a c t u r eb u tl o wp o r o s i t ya tt h e c r o s ss e c t i o n t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h em e t a lp h a s ea n dc r a c kb r i d g i n gh a sg r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h em a t e r i a l sf r a c t u r et o u g h n e s s t h ei n f l u e n c e so fm u l t i - p h a s ea n dm u l t i - s c a l eo ns t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g m e c h a n i s m so ft h en e w m u l t i - p h a s ea n dm u l t i - s c a l et i cb a s e dn a n o c o m p o s i t ec e r a m i c t o o lm a t e r i a l sw e r es t u d i e d t h eb i n d i n gm e t a lp h a s en i 、c oa n dm ec a ng r e a t l y i m p r o v et h ew e t t a b i l i t yt ot h em a t r i xg r a i n ，i m p r o v ec o m b i n a t i o ns t r e n g t ho fg r a i n b o u n d a r ya n di n d u c ec r a c kb r i d g i n g , c r a c kt r a n s g r a n u l a t i o na n dc r a c kd e f l e x i o n a 1 2 0 3 p a r t i c l e sc a l l i n h i b i tt h ee x c e s s i v em a t r i xg r a i ng r o w t h , e n h a n c et h em a t e r i a l s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dg e n e r a t ec r a c kd e f l e c t i o n , c r a c ks p i n n i n ga n dr e s i d u a ls t r e s s s i m u l t a n e o u s l y , t h ep a r t i c l e sc a l la l s oe a s i l yc a u s ed i s l o c a t i o nt oi n c r e a s em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s m u l t i s c a l ea 1 2 0 3p a r t i c l e sc a l lp r o d u c et o u g h e n i n gm e c h a n i s m so fb o t h r e s i d u a ls t r e s sa n dc r a c kd e f l e c t i o n i n t r a g r a n u l a rn a n o - s c a l ea 1 2 0 3p a r t i c l e sc a ni n d u c e s u b - b o u n d a r yi nt h em a t r i xg r a i n ，a l s ot h em e t a lp h a s ea n dt h el l a n op a r t i c l eo nt h e b o u n d a r yc a ng r e a t l ye n h a n c et h eg r a i nb o u n d a r y , w h i c hr e s u l ti nt h ei n t r a g r a n u l a r e f r a c t u r em o d e c o m p a r e dt ot h ec o m m e r c i a ll t 5 5c e r a m i ct o o l ，t h ec u r i n gp e r f o r m a n c ea n d f a i l u r em e c h a n i s mo ft a l0 a 5i nc o n t i n u o u sm a c h i n i n gq u e n c h e d4 0 c ra l l o ys t e e l ， n o d u l a rc a s ti r o n , q u e n c h e da n dt e m p e r e d4 5 # s t e e la n dq u e n c h e d4 5 # s t e e lw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt a l 0 a 5w a sq u i t es u i t a b l et oc o n t i n u o u s l ym a c h i n e q u e n c h e d4 0 c ra l l o ys t e e la tt h el o ws p e e d ，a n dq u i t es u i t a b l et oc o n t i n u o u s l ym a c h i n e 4 5 # s t e e la tt h eh i g hs p e e d ，t h ew e a rr e s i s t a n c ea n dt h eq u a l i t yo fm a c h i n i n gs u r f a c e o b t a i n e dw i t ht h et a l 0 a 5c u r e rw e r em u c hb e a e rt h a nt h a to fl t 5 5 h o w e v e r , t a l0 a 5c u r e rw a sn o ts u i t a b et oc o n t i n u o u s l ym a c h i n en o d u l a rc a s ti r o n t h ew e a r i n g l o s so f r a k ef a c ea n dr e a rf a c ew a sg r e a t l yi n c r e a s e dw i t ht i m ei n c r e a s i n g i naw o r d ，t h e t a l0 a 5c u t t e rw a sv e r ys u i t a b l ef o rf i n i s h i n gt h ea b o v ef o u rw o r k p i e c em a t e r i a l sd u e t ot h eg o o dq u a l i t yo fm a c h i n gs u r f a c e 山东人学硕f 。学位论文 k e yw o r d s ：m u l t i p h a s e a n dm u l t i s c a l e ，n a n o c o m p o s i t ec e r a m i c ，t i c ， s t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g ，c u t t i n gp e r f o r m a n c e x 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 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型盟e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东学有关保留、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：型盟一导师签名：啦日期：鲨阜：竺：竺 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 陶瓷刀具材料的研究现状 陶瓷是一种多晶体材料，在显微组织上除由晶粒和晶界组成外，还有玻璃相、 气孔、杂质和其他缺陷存在，这一切导致了陶瓷的脆性【。早在2 0 世纪初，德国 与英国已开始采用陶瓷刀具取代传统的碳素工具钢刀具，但由于当时的陶瓷脆性 较大，所以其应用受到局限。如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高其韧性，成为 近百年来陶瓷刀具材料研究的主要课题【2 1 。2 0 世纪5 0 年代以前以纯a 1 2 0 3 陶瓷为 主，6 0 年代至7 0 年代以a 1 2 0 3 t i c 复合陶瓷为主，7 0 年代后期至8 0 年代初期发 展了氮化硅基陶瓷刀具材料及z r 0 2 相变增韧陶瓷刀具材料，8 0 年代后期到9 0 年 代，发展了晶须增韧陶瓷刀具材料，进入2 1 世纪，各种纳米增韧陶瓷刀具材料及 陶瓷涂层刀具成为研究开发的核心。 陶瓷刀具按材料成份大致可以分为三种：氧化铝基陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷 刀具和金属陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具又可以分为：氧化铝一金属系陶瓷刀具、氧 化铝一碳化物陶瓷刀具、氧化铝一碳化物金属陶瓷刀具、氧化铝一氮化物、硼化 物金属复合陶瓷刀具。氮化硅基陶瓷刀具又可以分为：单一氮化硅陶瓷刀具、复 合氮化硅陶瓷刀具、赛阿隆陶瓷刀具、氮化硅晶须增韧陶瓷刀具【2 1 。从陶瓷刀具材 料的发展动向上可以分为：纳米陶瓷、梯度复相陶瓷和有机改性陶瓷。纳米陶瓷 是指陶瓷的显微组织中，从晶粒到晶界，以及它们之间的结合，都是处于纳米尺 寸的水平。梯度复相陶瓷是在陶瓷涂层的研究中，为了获得厚涂层，一般都是采 用在涂层的组份中作梯度变化，以消除金属与陶瓷在热膨胀系数上的巨大差异而 产生的热应力，从而保证了厚涂层与金属基体的结合在使用过程中的可靠性。有 机改性陶瓷是一个全新的概念，它又称为聚合陶瓷或有机改性硅酸盐，是由无机 盐和聚合物以分子或原子尺度混合而得的复合材料，因而它也是一种纳米复合材 料。它与传统的复合材料不同：一是复合尺度很小，达到纳米水平；二是复合材 料中相之间以化学键结合，所以其性能也是传统材料所不具备的。由于有机改性 陶瓷的烧结温度低，最终产物均匀性好，性能优良，已普遍受到人们的关注【l j 。 随着陶瓷刀具材料的发展，陶瓷刀具材料的增韧补强机理也在不断的完善， 山东人学硕f j 学f 汀论艾 目前比较成熟的增韧补强机理有：颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧、 微裂纹及多种机理的协同增韧。在这些增韧补强的机制的作用下陶瓷刀具得到了 较广泛的应用。目前，陶瓷刀具能以2 0 0 - 1 0 0 0 r n m i n 的切削速度高速加工钢、铸 铁及其合会等材料，刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。如德国g u h r i n g 公司推出的r t 2 0 0 系列整体陶瓷钻头和陶瓷立铣刀，精加工切削速度为 1 0 0 0 m m i n 。同时，它的出现使传统的工艺概念发生变化，利用陶瓷刀具可直接以 车、铣代替磨削( 或抛) 对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩 短工艺流程。在生产中既能用于一般的车、镗和铣削加工，更能成功地用于精密 孔的加工。除可在普通机床使用外，也能有效地用于数控机床等高效设备。与金 刚石和c b n ( 立方氮化硼) 等超硬刀具相比，陶瓷具有价格相对较低的成本优势。 1 2 金属陶瓷刀具的研究现状 金属陶瓷是指用粉末冶金方法制取的金属与陶瓷的复合材料。c e r m e t s ( 金属陶 瓷) 就是由c e r a m i c s ( 陶瓷) 中的c e r 与m e t a l ( 金属) 中的m e t 结合起来构成的【3 】。它 既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性， 又有较好的韧性和可塑性，是一类非常重要的工具材料和结构材料。其用途极其 广泛，几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业的发展和 生产率的提高起着重要的推动作用，故近几年来已成为材料研究领域中一个非常 重要的研究课题【4 】。 根据金属陶瓷中主要非金属相的种类。金属陶瓷可以分为：n 氧化物基金属陶 瓷，主要是以a 1 2 0 3 、z r 0 2 为基体，其抗弯强度能达到1 2 0 0 - - 1 3 0 0 m p a ，硬度 h v l 8 0 0 - 1 9 0 0 ，断裂韧性达到5 6 m p a i l l l 尼【5 】，2 ) 碳化物基金属陶瓷，主要以w c 、 t i c 为基体，其金属相有n i 、n i m o 、n i m o a 1 、n i c r 、n i c o c r 等【5 1 。3 ) 碳氮化 物基金属陶瓷，一般以c o - n i 为粘结剂，以其他的碳化物如：w c 、m o c 、( t a 、 n b ) c ，c r 3 c 2 、v c 等为添加剂，有很好的耐磨性【5 1 。4 ) 硼e i i 化物基金属陶瓷，研究较 多的是t i b 2 基金属陶瓷，多以f e 、n i 、c o 、c r 、m o 、b 等作为粘结金属【4 1 ，t i b 2 有很高的导热率和高温稳定性，被认为是比较有前途的金属陶瓷基体，受到很大 的关注。 2 第1 荦绪论 1 2 1t i c 基金属陶瓷刀具材料的发展 t i c - n i 基金属陶瓷刀具问世于1 9 2 9 年，最初作为w c c o 系合金的代用材料， 主要用于切削加工，由于脆性很大，其应用受到限制。5 0 年代美国福特汽车公司 发现在t i c - n i 基金属陶瓷中添加m o 之后，可改善液态金属n i 对t i c 的润湿性， 使t i c 晶粒变细，并使合金强度大大提高【6 1 ，在1 9 6 0 年到1 9 6 3 年间，美国的维尔 伟松公司、肯纳金属公司和亚当斯碳化物公司分别制成了牌号为 v r 6 5 ，k 6 5 ，t i t a n 8 0 的金属陶瓷。同时，日本的东芝公司、三菱公司和住友公司也 分别研制成功了t i c - n i 基金属陶瓷。通过合适的成分优选、严格的工艺条件和组 织控制金属陶瓷的力学性能，特别是韧性，得到了较大的改善，其应用场合也从 单一的钢材精加工扩展到了钢材和韧性铸铁的半精加工、粗加工和断续$ 1 1 t 7 1 ，7 0 年代国外对t i c 基金属陶瓷的研究十分重视，品种牌号也迅速增加，t i c 基金属陶 瓷由原来的基本组成t i c - n i m o 系发展成t i c - n i m o w c 系和t i c n i m o w c c o 系等多种系列。研究发现往现有t i c 基金属陶瓷中添加数量较多的w c ，t a c 等碳 化物，相应地降低t i c 的含量，可以大大扩展现有t i c 基金属陶瓷切削工具材料 的使用范围阴。1 9 7 1 年，含n 的t i c 基金属陶瓷面世，氮的引入可以起到明显的 细化晶粒的作用，其各力学性能都有明显提高。进入8 0 年代含n 的t i c 基金属陶 瓷得到了大量的研究，在刀具中的比例也有了很大的提剐8 1 。 t i c 的熔点( 3 2 5 0 c ) 高于w c ( 2 6 3 0 c ) 、耐磨性好、密度只有w c 的l 3 ，抗氧 化性远优于w c ，最初t i c 基金属陶瓷被用来填补w c c o 系硬质合金和a 1 2 0 3 陶 瓷工具材料之间的间隙，适于做高速精加工的工具，后来由于技术的进步，金属 陶瓷的韧性得到了改善，其使用范围扩大到w c 基合金的使用领域【7 1 。2 l 世纪以 来通过纳米粉体对现有的金属陶瓷工具材料进行改性是当前国内外材料科学研究 的热点之一，经纳米材料改性的金属陶瓷材料具有硬度和强度提高、导热性能改 善、烧结温度降低等特点。 1 2 2t i c 基金属陶瓷刀具材料的特点 t i c 基金属陶瓷的微观组织由金属粘结相和t i c 硬质相组成，粘结相为镍钼合 金或各类合金钢，硬质相为t i c 芯及外围包覆的一层( t i ，m o ) c 固溶体r i m 相( 即环 山东人学坝f4 学位论义 形相s u r r o u n d i n gs t r u c t u e ) 。环形相能使硬质相颗粒几乎不会通过合并机制长大， 环形相很脆，因而必须控制其生长。当环形相的厚度超过0 5 微米时，抗弯强度会 明显下降。环形相的厚度与烧结温度、保温时间等因素有关，烧结温度升高，环 形相变厚。为了使金属陶瓷性能得到提高，可通过控制烧结温度：保温时间等工 艺因素来控制环形相厚度【9 】。 t i c 基金属陶瓷增韧方法有颗粒增韧、晶须纤维增韧、相变增韧和延性相增韧 【5 】其中延性相增韧被认为是最有前途的增韧方法。t i c 基金属陶瓷的强化，主要 是通过固溶强化和细晶强化来实现的。 徐智谋【l o 】在研究多元碳化物增韧金属陶瓷刀具材料时发现，粘结相中金属元 素w 含量的提高，可使金属陶瓷得到强化，抗弯强度大幅提高。同时添加重金属 元素t a 和w ，由于其熔点较高，可以耐更高的温度，对金属陶瓷作为切削刀具材 料时红硬性的提高会有较大帮助，并且同时降低了较大颗粒硬质相在粘结相中的 扩散与溶解，即提高了硬质相的高温稳定性。在t i c 基金属陶瓷中添加t n ，可因 氮的存在阻止钼向t i c 的扩散及钛向镍的扩散，抑制r i m 相的发展，使晶粒得到 细化【9 】。章晓波【1 1 】在研究z r c t i c 陶瓷时指出，z r c 加入后和t i c 形成( t i ，z r ) c 固 溶体，主要以壳的形式分布于未溶黑芯t i c 周围，并且随着z r c 含量的增加，组 织逐渐细化，z r c 的加入在一定程度上起到固溶强化和细晶强化金属陶瓷的作用。 1 2 3 纳米改性对t i c 基金属陶瓷的影响 纳米改性技术运用在陶瓷材料上，取得了很大的成功，纳米相的主要作用机 理有：1 ) 位于晶界上的纳米颗粒能阻碍晶界滑动，阻止了晶粒的长大，有利于得到 细晶组织，这对材料的强度、韧性和硬度的提高都有利，这是细晶强化的效果；2 ) 碳化物陶瓷相在烧结后表面残留大量的位错【1 2 】，而分散的纳米颗粒能与位错交互 作用从而降低了位错的可动性，即钉扎位错的作用；3 ) 纳米颗粒的巨大的表面能可 以提供部分烧结驱动力，促进粘性流动和扩散等烧结机制，降低烧结温度，防止 陶瓷晶粒的高温长大效应。 纳米的添加并不是百利而无一害，随着添加纳米粉含量的增加，粉体的液相 点温度也随之降低1 1 3 】，液相烧结的进程加速，粘结相达到饱和所需的时间减少， 扩散析出所占时间增长，致使粘结相中t i 、m o 、w 向陶瓷硬质相中固溶的量增加， 4 第1 币绪论 从而导致粘结相中t i 、m o 、w 含量逐渐减少。由于高的表面活性导致纳米粉极易 氧化、吸湿和团聚【h 】，当纳米粉加入量较高时，烧结时无法将试样中的氧脱除干 净。硬质相颗粒表面含氧量的增加，表面能ys v 降低，液相对硬质相的润湿角增大， 润湿性变差，使材料烧结后致密度降低，性能大大下降。当纳米粉的添加量超过 1 0v 0 1 时，陶瓷中气孔的数量明显增多，这些气孔成为陶瓷断裂的裂纹源，致使 陶瓷的性能下降。 1 3 纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机理 纳米复相陶瓷材料的增韧补强机理现在并没有统一的理论，可以简单地归纳 为以下几方面： ( 1 ) 弥散第二相的粒径大小对基体组织的作用 纳米弥散相能够抑制基体晶粒的生长并减轻晶粒的异常长大，形成均匀的细 晶粒显微组织和减少大晶粒缺陷的数量，对提高材料的力学性能十分有利。研究【1 5 】 发现随着s i c 粒径的减小，s i c 对晶界传质及1 3 s i 3 n 4 晶粒生长的抑制作用增强， 使得陶瓷中的1 3 s i 3 n 4 含量迅速减少。在s i c 粒径大于1 2 6 微米时q s i 3 n 4 已经完 全转化为1 3 s i 3 n 4 。在s i c 粒径为4 0 纳米时，陶瓷中的1 3 s i 3 n 4 含量仅有4 5 v 0 1 。 在s i c z r 0 2 纳米复相陶瓷中，当s i c 的含量由5 v 0 1 增加到2 0 v 0 1 时，材料中最 大的z r 0 2 粒径由2 ，5 微米降到1 9 微米。实验表明纳米s i c 对z r 0 2 晶粒的生长具 有明显的阻碍作用，并且强烈抑制了陶瓷中z r 0 2 晶粒的异常长大，使陶瓷显微组 织变的更加均匀细d 4 1 6 1 。 根据z e n n e r 的研究表吲1 7 1 ，材料的基体平均半径和第二相颗粒之间存在如下 关系： do cr lv f ( 1 - 1 ) 式中：d 为复相陶瓷中基体的平均粒径尺寸，r 为陶瓷中第二相颗粒的半径， v f 为第二相颗粒体积含量。可以看出基体晶粒的平均尺寸与第二相的颗粒直径成 正比，而与其体积含量成反比。在纳米复相陶瓷中，纳米增强相的颗粒尺寸很小， 这有利于提高纳米增强颗粒对基体晶界的钉扎作用，促进基体晶粒尺寸大幅度减 小，而根据h a l l - pe t i c h 原理【1 7 1 ，陶瓷材料的强度与其晶粒尺寸的平方根成反比， 5 山东入学坝f ：学位论文 因此，纳米复相陶瓷基体晶粒尺寸的减小必将导致材料的强度的提高。另外，在 纳米复相陶瓷中，纳米颗粒对基体晶界的钉扎作用还可以显著降低基体晶粒的异 常长大的发生，使得材料显微组织更加均匀，这同样有利于材料中临界缺陷尺寸 的减小和材料强度的改善【1 7 1 。许育东【1 8 】在研究纳米t i n 改性t i c 基金属陶瓷时认 为在晶界上分布的纳米t i n 颗粒能有效钉扎t i c 晶界，使t i c 晶界难以移动，从 而在一定程度上可防止金属陶瓷的晶粒异常长大现象，基体t i c 晶粒可得到明显 的细化。王辅忠【1 9 1 认为在弥散相内或者弥散相周围存在较高的局部应力，这种应 力是基体和弥散相之间热膨胀失调而产生的，并在冷却阶段产生位错，纳米级粒 子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，导致基体晶粒细化。 ( 2 ) 晶内型结构的增强作用 在纳米复相陶瓷材料中，晶内型结构形成的主要机理是【2 0 】，由于陶瓷基体的 晶界比弥散相移动得快，基体晶粒会将弥散相包裹住，从而形成晶内型。在此结 构中基体晶粒间的晶界称为主晶界，晶内纳米相和基体晶粒问的界面称为次晶界， 次晶界对材料力学性能有重要的影响。新原皓一【2 1 1 认为纳米复合材料性能的提高 与晶内型结构的形成及由此产生的次界面的作用有关，主要通过以下效应使材料 得以增强：1 ) 减弱晶界的作用；2 ) 诱发穿晶断裂的产生；3 ) 抑制断裂过程中的位错 运动。 晶内型结构的形成影响因素有：1 ) 纳米颗粒的粒径2 ) 热处理温度和时间。在材 料的烧结过程中小尺寸的纳米颗粒优先进入基体颗粒中，较大粒径的颗粒则停留 在晶界，随着烧结温度的提高，随着晶粒尺寸的长大，晶界处的颗粒脱离晶界进 入晶体内部，形成晶内型结构。 ( 3 ) 微裂纹的增强作用 根据位错理论【2 2 1 ，脆性晶体中局部大的应力使其内部引入新位错。灿2 0 3 基体 中引入s i c 粒子，特别是晶内纳米s i c 粒子使次界面处存在很高的拉应力，这种 局部拉应力使a 1 2 0 3 晶粒中合适滑移面上的位错源开动而产生许多新位错。由于 s i c 粒子分布的随机性，因而产生的残余应力场也非常复杂，致使位错复杂化、多 样化。s i c 粒子对位错线有钉扎作用，在基体晶粒受径向压应力被迫膨胀的过程中， 产生了大量微裂纹，这些微裂纹对主裂纹必然会起到分散和钝化的作用。增韧机 6 第l 章绪论 制是裂纹偏转和微裂纹增韧【2 3 。在a 1 2 0 3 t i c 纳米复合材料中【2 4 1 ，t i c 晶粒内的 a 1 2 0 3 颗粒周围产生局部的剪切应力，剪切应力导致在亚晶界处产生位错( 或位错 网) ，位错( 或位错网) 的产生释放了部分应变能，从而在纳米复合材料内部不容易 产生其它的缺陷和长裂纹。当主裂纹的尖端扩展到这些区域时，纳米材料的这种 结构容易造成很多的纳米级的微裂纹，微裂纹的产生释放了驱动主裂纹扩展的应 变能，从而提高了材料的断裂韧性。 谷美林【2 5 】认为微裂纹主要从以下三个方面影响材料的抗弯强度：在外力作 用下，微裂纹的形成本身就可以吸收一定的能量，使材料的断裂能增加，以提高 材料的抗弯强度；微裂纹可以承担部分外应力分量，与单一的主裂纹扩展过程 相比，可以使外应力引起的应力场强度下降，也可以提高材料的抗弯强度；微 裂纹产生以后，相应的使不计裂纹的基体的断裂能降低，这会导致材料的抗弯强 度下降。所以要使材料的抗弯强度提高，在设计和制备弱界面结合陶瓷刀具材料 时必须保证前两个方面对强度的增强作用大于第三个方面对强度的削弱作用。 ( 4 ) 断裂方式的改变对增韧补强的作用 断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂是纳米复合陶瓷刀具材料增韧的主要原 因，因为穿晶断裂的断裂能远高于沿晶断裂的断裂能，但是诱发穿晶断裂的原因 是因为晶界强化还是弱化目前还存在争论，其中认为纳米颗粒对基体晶界起增强 作用的占多数。增强原理大致归纳为两个方面：基体晶粒内部的纳米颗粒对基 体晶界施加的压应力【2 6 】，在晶内型纳米复相陶瓷中，当晶内纳米颗粒的热膨胀系 数小于基体的热膨胀系数时，由于两者热膨胀系数的差异，将在基体晶界上施加 一个压应力，从而使基体晶界得到强化。因此，在不引起基体晶粒开裂的基础上， 纳米颗粒与基体热膨胀系数相差越大，越有利于基体晶界强度的提高。基体晶 界上的纳米颗粒与基体晶粒间高强度结合界面的形成【1 7 】。研究表明在某些纳米复 相陶瓷( s i c a 1 2 0 3 ，s i c s i 3 n 4 等) 中，晶界纳米颗粒与基体晶粒形成高强度结合 界面。此时，即使在基体晶界和晶界三角区存在大量玻璃相，在纳米颗粒与基体 晶粒所形成的界面上也基本上不存在玻璃相或只存在一层很薄的玻璃相，这有利 于整个基体晶界强度的提高。另外，在纳米复相陶瓷中晶界纳米颗粒对晶界玻璃 相的强化作用同样对改善基体晶界强度有重要的作用。 7 山东尺学坝f j 学位论艾 在s i c a 1 2 0 3 纳米复相陶瓷中a 1 2 0 3 晶粒发生穿晶断裂的最主要原因是纳米 s i c 对a 1 2 0 3 晶界的强化作用。由于s i c 的膨胀系数远小于a 1 2 0 3 ，使得a 1 2 0 3 晶 界在烧成冷却的过程后受到来自晶内s i c 颗粒施加的压应力，晶界上的压应力提 高了a 1 2 0 3 晶界的结合强度和抗裂纹扩展能力，使得材料的的断裂方式由沿晶断裂 向穿晶断裂转变【2 7 1 。王丽丽【2 8 1 认为a 1 2 0 3 s i c 纳米复合陶瓷韧性的提高是因为：晶 粒的细化一方面减小了材料中缺陷的尺寸，另一方面纳米s i c 的加入强化了晶界， a 1 2 0 3 晶粒内的张应力促使裂纹扩展，断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂。余文 龙【2 9 1 认为位于晶界的纳米s i c 颗粒由于对裂纹及位错的钉扎作用而使晶界强化； 位于基体晶粒内的纳米s i c 颗粒，由于其与基体的热膨胀系数的差异，烧结后在 次界面处产生较大的残余应力，当受到外力作用时诱发穿晶断裂。焦绥隆【3 0 】等则 赞同“晶界型 结构强韧化机理，认为穿晶断裂是由晶界上的纳米粒子引起的， 主晶界被纳米粒子局部强化，纳米相与基质产生良好的结合，纳米粒子有强化晶 界的作用。另外，由于q 、e 不同，基体的径向压应力会对晶界上的纳米粒子产生 “虎钳”作用，从而钉扎沿主晶界扩展的裂纹，然后在更大的夕卜力作用下，使裂 纹偏转进入晶内，形成穿晶断裂。谷美林【3 1 】也赞同纳米粉末的添加强化了晶界， 在t i n t i b 2 陶瓷中由于t i n 和t i b 2 热膨胀系数差导致材料冷却过程中会在t i b 2 晶界产生径向残余压应力，随第二相t i n 颗粒含量的增加，材料的晶界不断得到 强化，使材料从以沿晶断裂为主转变为有大量的穿晶解理和沿晶断裂共同作用的 断裂方式。 ( 5 ) 残余应力的作用 根据w a n gg a n g 等人的研究 3 2 】，材料的强度取决于颗粒的大小和材料中裂纹 的长度。如果材料中的裂纹长度大于晶粒的尺寸，则材料的强度由裂纹控制，否 则，材料的强度取决于晶粒的大小，并且材料的强度与颗粒的大小符合h a l 卜一p c t c h 关系。在a 1 2 0 3 t i c 纳米复合材料中，由于a 1 2 0 3 和t i c 热膨胀系数和弹性模量的 不同，使得材料在从制备时的高温冷却到室温的过程中在晶界处产生残余应力， 残余应力的存在导致晶界处产生位错( 或位错网) ，位错的产生释放了部分应变能， 从而使得材料的内部不容易产生长裂纹和其它的缺陷。在陶瓷材料中形成有利的 应力分布，可以有效的吸收能量从而提高裂纹扩展的阻力，降低对裂纹的敏感性， 第l 荦绪论 削弱裂纹尖端的应力集中效应，第二相颗粒周围残余应力的存在无论是引起裂纹 偏转或是裂纹被钉扎，均会提高断裂功而使材料韧性提高。在a 1 2 0 3 s i c 纳米复合 陶瓷中，当分析二维残余应力时尽管从总体上看，s i c 颗粒受压应力而a 1 2 0 3 基体 受拉应力，但在a 1 2 0 3 基体晶粒中既存在压应力区也存在拉应力区，裂纹在压应力 区受阻而在拉应力区扩展，因而裂纹扩展的路径曲折，起到增韧补强效果【3 3 1 。 ( 6 ) 高温时阻止位错运动，提高耐高温性能 陈大明【3 4 1 认为纳米陶瓷复合材料高温力学