自潤滑陶瓷刀具材料的梯度設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

1、針對目前自潤滑刀具的減摩性能和耐磨性能不能合理兼顧的難題,將功能梯度材料的設(shè)計(jì)思想引入自潤滑陶瓷刀具的設(shè)計(jì)和制造中,成功的制備出梯度自潤滑陶瓷刀具,并對其物理力學(xué)性能、微觀組織和殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。
　　通過對梯度自潤滑陶瓷刀具材料的物理化學(xué)相容性分析計(jì)算,確定了Al2O3/TiC/CaF2和Al2O3/(W,Ti)C/CaF2兩個(gè)組分體系并計(jì)算了各層物性參數(shù)。建立了梯度自潤滑陶瓷刀具材料的物理模型、組成分布模型和物性參數(shù)模型,采

2、用有限元方法分析了組成分布指數(shù)和層數(shù)對陶瓷刀具殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:梯度自潤滑陶瓷刀具材料的表層形成殘余壓應(yīng)力,中間層形成殘余拉應(yīng)力。確定了最佳組成分布指數(shù)為1.8,最佳層數(shù)為7層。此時(shí)徑向最大壓應(yīng)力達(dá)到-117.6MPa,最大Von Mises等效應(yīng)力為119.3MPa。
　　分別分析了層厚、熱膨脹系數(shù)之差和分布指數(shù)、熱膨脹系數(shù)之差和彈性模量對梯度自潤滑陶瓷刀具材料的殘余應(yīng)力影響,結(jié)果表明:表層加厚后,最大徑向拉應(yīng)力增大、最

3、大徑向壓應(yīng)力減小,同時(shí)最大Von Mises等效應(yīng)力增大。根據(jù)應(yīng)力曲線得到的應(yīng)力值與有限元計(jì)算的應(yīng)力值存在一定的誤差,最大徑向壓應(yīng)力的相對誤差在0.5％-1.4％之內(nèi),最大徑向拉應(yīng)力和最大Von Mises等效應(yīng)力的相對誤差分別在4.7％-8.2％、4.0％-7％左右,但應(yīng)力分布總體趨勢相同。
　　利用熱壓燒結(jié)工藝制備出不同分布指數(shù)和組分的梯度自潤滑陶瓷刀具材料,進(jìn)行了物理力學(xué)性能測試與微觀結(jié)構(gòu)分析,并通過壓痕法測量殘余應(yīng)力,與有

4、限元法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明:對于Al2O3/TiC/CaF2系材料,分布指數(shù)為1.8時(shí),材料具有較高的硬度和斷裂韌性,分別為12.71GPa和3.86 MPa·m1/2;對于 Al2O3/(W,Ti)C/CaF2系材料,硬度和斷裂韌性分別達(dá)到了15.36GPa和4.02 MPa·m1/2,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合。同時(shí),層間界面比較清晰,整個(gè)材料的組成分布和顯微結(jié)構(gòu)是連續(xù)變化的,而且層間結(jié)合良好,沒有裂紋和缺陷。通過有限元方法