低膨胀准陶瓷刀具材料的研制及其力学性能初探

发布时间：2017-10-06 09:39

  本文关键词：低膨胀准陶瓷刀具材料的研制及其力学性能初探

  更多相关文章： 低膨胀准陶瓷刀具材料 堇青石 力学性能 热膨胀系数 有限元模拟

【摘要】：本文结合陶瓷材料的热膨胀性能和现代科学对机械材料的要求,设计并优化了低膨胀准陶瓷刀具材料的组分含量和制备工艺,研制了低膨胀准陶瓷刀具材料,并通过有限元方法进行了热膨胀系数的计算机模拟。设计了低膨胀准陶瓷刀具材料体系,确定以A1203为基体相,堇青石和Ti(C,N)为添加相,制定了刀具材料的制备工艺和烧结工艺。实验优化了低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石(A-MAS)中堇青石的含量。结果表明,A-MAS70材料的力学性能、微观组织和热膨胀系数较好,其抗弯强度为563.0±92.6MPa,维氏硬度为11.34±0.61GPa,断裂韧度为4.11±0.23MPa·m1/2,平均热膨胀系数为2.80×10-6m/℃(室温～900℃)。优化了低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石-Ti(C,N) (AT-MAS)中Ti(C,N)的含量,结果表明,AT-MAS60具有较好的力学性能、微观组织和热膨胀系数,其抗弯强度为598.03±64.11MPa,维氏硬度为14.61±0.80GPa,断裂韧度为4.93±0.52MPa·m1/2,平均热膨胀系数为3.42×10-6m/℃(室温～900℃)。实验优化了低膨胀准陶瓷刀具材料MAS. A-MAS和AT-MAS的烧结工艺。结果表明,低膨胀准陶瓷刀具材料MAS在升温速率为30℃/min、保温时间为40min、烧结温度为1300℃时获得最优的力学性能,其抗弯强度为495.98MPa,硬度为9.08GPa,断裂韧度为3.53MPa-m1/2,当升温速率为50℃/min时获得最低的平均热膨胀系数为1.55×10-6m/℃(室温～900℃)。低膨胀准陶瓷刀具材料A-MAS70在升温速率为30℃/min、保温时间为60min、烧结温度为1300℃时获得最优的力学性能,其抗弯强度为319.5+39.6MPa,硬度为13.97±2.92GPa,断裂韧度为4.09±0.73MPa·m1/2,在升温速率为30℃/min、保温时间为40min、烧结温度为1250℃时获得最低的平均热膨胀系数为2.80×10-6m/℃(室温～900℃)。低膨胀准陶瓷刀具材料AT-MAS60在升温速率为50℃/min、保温时间为30min、烧结温度为1400℃时获得最优的力学性能,其抗弯强度为598.03+64.11MPa,硬度为14.61±0.80GPa,断裂韧度为4.93±0.52MPa·m1/2。低膨胀准陶瓷刀具材料AT-MAS80在升温速率为50℃/min、保温时间为15min、烧结温度为1450℃时获得最低的平均热膨胀系数为3.01×10-6m/℃(室温～900℃)。采用蒙特卡洛算法建立了陶瓷刀具材料三维微观组织模拟模型,计算了材料的热膨胀系数。热膨胀系数的模拟结果和实测结果随温度的变化规律基本一致。为进一步研究低膨胀准陶瓷刀具材料的热膨胀系数奠定了基础。
【关键词】：低膨胀准陶瓷刀具材料 堇青石 力学性能 热膨胀系数 有限元模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG711
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-17
• 第1章 绪论17-25
• 1.1 低膨胀陶瓷材料的研究现状17-21
• 1.1.1 低膨胀材料17
• 1.1.2 低膨胀陶瓷材料的类型17-19
• 1.1.3 低膨胀陶瓷材料的研究概述19-21
• 1.2 堇青石复合陶瓷材料的研究现状21-23
• 1.2.1 堇青石复合陶瓷材料概述21
• 1.2.2 堇青石复合陶瓷材料体系的研究现状21-23
• 1.3 本文的研究目的、意义和主要研究内容23-25
• 1.3.1 研究目的和意义23
• 1.3.2 主要研究内容23-25
• 第2章 低膨胀准陶瓷刀具材料体系和制备工艺设计25-35
• 2.1 低膨胀准陶瓷刀具材料的界定25
• 2.2 低膨胀准陶瓷刀具材料体系的设计思路25-27
• 2.3 低膨胀准陶瓷刀具材料体系的设计27-30
• 2.3.1 组分的选择27-28
• 2.3.2 物理和化学相容性研究28-29
• 2.3.3 组分含量的确定29-30
• 2.4 低膨胀准陶瓷刀具材料复合粉体的制备工艺30-31
• 2.4.1 实验原料30-31
• 2.4.2 复合粉体的制备工艺流程31
• 2.5 低膨胀准陶瓷刀具材料的烧结工艺31-33
• 2.5.1 烧结方法的确定31-32
• 2.5.2 烧结工艺路线的确定32
• 2.5.3 烧结温度的确定32-33
• 2.5.4 升温速率的确定33
• 2.6 本章小结33-35
• 第3章 低膨胀准陶瓷刀具材料的组分优化35-45
• 3.1 低膨胀准陶瓷刀具材料的力学性能、微观组织和热膨胀系数测试35
• 3.2 Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料的堇青石含量优化35-41
• 3.2.1 堇青石含量的优化方案35-36
• 3.2.2 堇青石含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料力学性能的影响36-39
• 3.2.3 堇青石含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料微观组织的影响39-40
• 3.2.4 堇青石含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料热膨胀系数的影响40-41
• 3.3 Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料中Ti(C,N)含量的优化41-43
• 3.3.1 Ti(C,N)含量的优化方案41
• 3.3.2 Ti(C,N)含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料力学性能的影响41-42
• 3.3.3 Ti(C,N)含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料微观组织的影响42-43
• 3.3.4 Ti(C,N)含量对Al_2O_3基低膨胀准陶瓷刀具材料热膨胀性能的影响43
• 3.4 本章小结43-45
• 第4章 低膨胀准陶瓷刀具材料的烧结工艺优化45-63
• 4.1 烧结工艺优化方案45
• 4.2 低膨胀准陶瓷刀具材料堇青石的烧结工艺优化45-51
• 4.2.1 烧结温度对低膨胀准陶瓷刀具材料堇青石力学性能的影响45-47
• 4.2.2 保温时间对低膨胀准陶瓷刀具材料堇青石力学性能、微观组织和热膨胀性能的影响47-48
• 4.2.3 升温速率对低膨胀准陶瓷刀具材料堇青石力学性能、微观性能和热膨胀性能的影响48-51
• 4.3 低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石的烧结工艺优化51-59
• 4.3.1 烧结温度对低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石力学性能、微观组织和热膨胀性能的影响51-54
• 4.3.2 保温时间对低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石力学性能、微观组织和热膨胀性能的影响54-57
• 4.3.3 升温速率对低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石力学性能、微观组织和热膨胀性能的影响57-59
• 4.4 低膨胀准陶瓷刀具材料氧化铝-堇青石-Ti(C,N)的烧结温度优化59-60
• 4.5 本章小结60-63
• 第5章 低膨胀准陶瓷刀具材料的有限元模拟63-77
• 5.1 微观组织有限元模拟技术的概述63
• 5.2 低膨胀准陶瓷刀具材料有限元模拟模型的建立63-67
• 5.2.1 材料体系的选择64
• 5.2.2 蒙特卡洛模拟模型的建立64-65
• 5.2.3 微观尺度有限元模拟模型的建立65-67
• 5.3 低膨胀准陶瓷刀具材料热膨胀行为的模拟67-74
• 5.3.1 低膨胀准陶瓷刀具材料和热物性参数的确定67-68
• 5.3.2 低膨胀准陶瓷刀具材料热膨胀行为的模拟结果68-72
• 5.3.3 低膨胀准陶瓷刀具材料模拟结果的验证72-74
• 5.4 本章小结74-77
• 结论与展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 学位论文评阅及答辩情况表84

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本文编号：982110