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43500字硕士毕业论文陶瓷刀具材料三维微裂纹扩展行为的模拟研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:43500字
论点:刀具,陶瓷,裂纹
论文概述:

利用计算机模拟技术,对陶瓷刀具的微观组织及其微观尺度的力学行为进行模拟,有助于深化对微观组织与宏观力学性能之间关系的理解,为陶瓷刀具的设计提供指导。本文建立了陶瓷刀具材料微观

论文正文:

第一章引言

 1.1陶瓷刀具材料的发展概况早在20世纪初期,德国人就将陶瓷材料作为切削刀具研究,1912年英国人首获AI2O3陶瓷刀具专利丨4]。但由于当时技术条件的制约,陶瓷材料强度低、脆性大,因此并未得到推广应用。直到20世纪50年代,陶瓷刀具才逐步发展起来,这个时期主要以纯Ab03陶瓷为主,但其断裂軔度低的缺点并没有得到解决,其使用范围仍然很小。1970年间AhCVTiC热压复合陶瓷刀具开始投入使用,使AhCh基陶瓷刀具走出了发展的“低谷”。这种复合AlaCb基陶瓷由于在基体中弥散了 15%?20%的Tie硬质相颗粒,使材料的强度、硬度和朝度均有较大幅度的提高。20世纪80年代后,由于颗粒弥散补强、晶须增軔、相变增朝等陶瓷材料增韦刃补强机理的不断发展,利用这些机理幵发出的二元陶瓷材料取得了很大的进展。比较典型的有Zr02相变增初AI2O3陶瓷,这种陶瓷虽然硬度略低于纯陶瓷,断裂靭度却有较大提高;SiC晶须增朝AI2O3陶瓷刀具研制成功,SiC晶须的加入使其断裂朝度提高两倍多,同时具有较高的硬度。这些刀具被大量推向市场,极大地扩展了陶瓷刀具的应用范围。近年来多种增初机制协同作用的多元复合陶瓷刀具材料、纳米增韧陶瓷刀具材料及涂层陶瓷刀具的出现,将陶瓷的强度和韧度又提高到一个新的水平。这些新型刀具材料的开发涉及多学科的交叉,成为世界范围的研究热点。21世纪先进陶瓷的三个发展趋势,这些趋势也将成为未来陶瓷刀具材料的研究方向。1.2陶瓷刀具材料的分类目前应用于切削刀具的陶瓷材料主要分为氧化银系和氮化娃系两大体系。添加相包括 Tie、TiN、AIN、TiB2、WC、SiCp、SiCw、TaC、ZrO]、(W,Ti)C、Ti(C,N)、M02C、Zr02、B4C、ZrB2、Ti(BN)等。除此两大体系外,还有金属陶瓷刀具及近年来出现的叠层陶瓷刀具等。
 1.2.1氧化招基陶瓷刀具材料氧化绍基陶瓷刀具是以氧化招为基体,氧化绍系陶瓷刀具有较好的高温化学稳定性和耐磨性、较高的高温硬度、较低的月牙桂磨损率和低廉的价格等优点,所以目前所占的市场比例较大。氧化招陶瓷刀具主要包括纯氧化锅陶瓷刀具、碳化石圭晶须增_氧化银复合陶瓷刀具、氧化浩增朝氧化招陶瓷刀具、铁一绍/氧化绍陶瓷复合刀具、氧化招基纳米复合陶瓷刀具及其它氧化绍陶瓷刀具等类别,例如Si3N4增_ AI2O3陶瓷刀具、添加猛铁的Zr02增韧AI2O3陶瓷刀具、AI2O3涂层陶瓷刀具、Al203-TiC-TiB2-Zr02 陶瓷刀具、AliOg-ZrOz-YaOs 陶瓷刀具、Al203-(W, Ti)C系列陶瓷刀具等。氧化招基陶瓷刀具适于加工各种钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高猛钢、浮硬钢等)和各种铸铁,也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料但它不宜用来加工锅合金和钛合金,否则容易产生化学磨损。国外目前开发的AlzCb基陶瓷刀具的牌号多达50种,其中以日本、美国、英国、俄罗斯和德国的陶瓷刀具发展较快。
 第2章陶瓷刀具材料微观裂纹扩展理论及模拟方法
 陶瓷材料主要失效形式是脆性断裂,脆性大、抗弯强度和断裂初度低是限制陶瓷刀具应用范围的主要原因,因此学者们一直在寻找提高其断裂力学性能的方法。研究发现陶瓷材料的微观组织和微观尺度的力学行为与其宏观力学性能有较大关系。通过对微观组织的实验观察和理论研究,国内外学者提出了多种增初补强机理,如颗粒增靭、相变增初、晶须增初、协同增韧以及纳米增朝等。但是陶瓷材料的微观组织极其复杂,晶粒及第二项颗粒的形状、大小和分布,气孔、微裂纹等缺陷都会对陶瓷材料的力学性能产生影响。因此仅依靠实验观察和理论研究无法从根本上改变传统的基于“试错法”的材料研发过程。近年来,计算机技术和模拟算法理论的发展为建立微观组织与力学性能的定量关系提供了可能性。运用计算机模拟陶瓷材料微观组织的断裂过程,使人们对陶瓷材料的断裂失效过程有了更清晰和深入的了解,为进一步研究增朝补强机理,乃至根据微观组织预测断裂力学性能提供了可能性,使材料的研发过程向“人工设计材料”的终极目标又进了 一步。
 第3章单相陶瓷刀具材料微观裂纹扩展行为模拟...............223.1三维Voronoi网格有限兀模型的构建.............223.2边界条件及本构参数的设定.............283.3模拟结果及分析.............343.4速度载荷对模拟结果的影响.............423.5本章小结.............43第4章复合陶瓷刀具材料微观裂纹扩展行为模拟.............454.1复合陶瓷刀具材料模型的构建及本构参数的设定.............454.2相界面结合强度对裂纹扩展行为的影响.............484.3第二相体积含量对材料力学性能的影响.............534.4本章小结.............58第5章耦合残余应力的陶瓷刀具材料微观裂纹扩展行为模拟.............605.1参数设置.............605.2耦合残余应力的单相陶瓷刀具材料微观裂纹扩展行为模拟.............615.3锅合残余应力的复合陶瓷刀具材料微观裂纹扩展行为模拟.............665.4本章小结.............73
结论 本文建立了陶瓷刀具材料微观组织的三维Voronoi网格有限元模型,釆用内聚力单元法对陶瓷刀具材料的三维微观裂纹扩展行为进行了模拟,主要结论如下。1.建立了陶瓷刀具材料微观组织的三维Voronoi网格有限元模型,模型考虑了晶粒的复杂几何形状和线弹性各向异性,并通过编写的MATLAB程序将内聚力单元嵌入到模型的晶界和晶粒内,能够满足任意断裂模式和裂纹扩展路径的模拟要求。2.以单相Ab03为例,模拟研究了单相陶瓷刀具材料的三维微观裂纹扩展行为。研究了不同晶界结合强度对裂纹扩展路径的影响,模拟结果表明,随着晶界强度提高,单相AI2O3模型的断裂模式逐渐由沿晶断裂转变为穿晶断裂。由模拟结果计算了单相AI2O3模型的抗拉强度和断裂韧度,结果表明,当断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂时,抗拉强度和断裂朝度会有较大幅度的提高。模拟得到的穿晶断裂时的裂纹扩展路径与实验结果相似,说明模型能较好的模拟单相陶瓷刀具材料的裂纹扩展路径。3.以Al203/TiB2为例,模拟研究了复合陶瓷刀具材料三维微观裂纹扩展行为。模拟结果中观察到了微开裂、裂纹钉扎和晶粒桥联等增初补强机理,说明本文所建立的模型能较好的模拟微观组织与裂纹之间的相互作用。
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