硬质合金刀具切削筒节材料刀屑接触区元素扩散特性研究

摘要

硬质合金刀具切削加工筒节材料过程中普遍会出现粘焊(表现为“粘刀”现象)，并随着切削过程的继续，刀具发生破损，进而对刀具加工、性能产生影响。针对这一问题，本文在国家自然科学基金“重型切削中硬质合金前刀面粘焊层损伤机理研究”(课题编号:51575146)资助下，开展了切削筒节材料(2.25Cr-1Mo-0.25V)实验，分析粘焊形成过程，建立切削过程中刀屑接触区域的扩散方程，预测接触区的浓度分布，并结合产生破损刀具的微观形貌，分析前刀面的断裂方式，为改善刀具抗粘结破损性能提供依据。
　　首先，为了获取在不同的切削条件下产生粘焊的试样，搭建切削实验平台，并结合显微硬度分析、超景深观测和扫描电镜观察，获得刀屑粘焊产生的切削条件;通过切削过程中的力热数据及前刀面微观表面形貌分析，分析粘焊的形成过程，获得粘焊产生的力热条件，为后续扩散模型的参数设置提供依据。
　　其次，根据刀屑粘焊形成过程分析，得到刀工接触区发生扩散的微观机制;结合菲克第二定律，建立含有未知参数的元素扩散浓度方程，采用五点频率法得到不同元素的扩散系数，确定元素扩散理论模型的最终形式;通过对切削加工过程中产生粘焊的刀具进行能谱扫描，得到不同元素的浓度分布，并与方程理论计算所得曲线进行对比，验证模型的正确性。
　　再次，采用分子动力学软件，结合碳化钨(WC)微观结构，分别建立硬质合金(WC-Co结构)和筒节材料(以Fe为基体的钢结构)的简化模型，并进行动力学分析，得到其动力学分析过程中的温度、能量变化和模型扩散后的结构，分析了接触区扩散特性;分析扩散后刀具侧微观结构局部放大图，观测到基体中孔洞的产生，随着扩散进程的继续，孔洞通过吸收周围空位，更容易造成裂纹形核和扩展。
　　最后，通过裂纹尖端应力场和位移场分析，确定裂纹尖端塑性区的存在，同时结合刀具的微观结构，分析裂纹形核的两种途径:初始裂纹处的形核和异相界面上的形核。结合材料的微观断口形貌，分析具有粘结的前刀面的微观结构，确定其破坏的主要方式，为改善硬质合金性能、制备以浓度梯度为特征的新型硬质合金提供依据。

目录

声明

摘要

1．1 课题的目的及意义

1．2 刀具失效的研究现状

1．3 元素扩散行为的研究现状

1．4 裂纹扩展的研究现状

1．5 本课题的主要研究内容

第2章 切削简节材料粘焊实验研究

2．1 实验方案

2．1．1 实验材料和装置

2．1．2 实验参数的选择

2．2 实验结果

2．3 粘焊形成分析

2．3．1 前刀面粘焊破损现象

2．3．2 刀屑粘焊的形成

2．3．3 刀屑粘焊的实质

2．4 本章小结

第3章 刀屑接触区元素扩散模型

3．1 扩散微观机制

3．1．1 换位机制

3．1．2 间隙机制

3．1．3 空位机制

3．2 刀屑元素扩散的数值分析

3．2．1 刀屑接触过渡区元素分布的数值分析

3．2．2 模型参数的确定

3．3 模型的验证

3．3．1 试验方案

3．3．2 实验结果及验证

3．4 本章小结

第4章 接触区扩散行为的分子动力学仿真

4．1 分子动力学的基本原理

4．1．1 分子动力学运动方程及数值积分方法

4．1．2 分子动力学系综

4．1．2 初始条件和边界条件

4．1．3 势函数

4．2 刀屑材料扩散行为的仿真分析

4．2．1 WC结构

4．2．2 模型的建立

4．3 分析计算及结果

4．4 本章小结

第5章 刀具前刀面疲劳裂纹的演化过程

5．1 裂纹的形成和扩展原理

5．2 裂纹尖端塑性区分析

5．2．1 断裂力学的基本假设

5．2．2 裂纹尖端塑性区

5．3 硬质合金疲劳裂纹的产生及扩展

5．3．1 微观结构分析

5．3．2 微观裂纹的增韧机制

5．3．3 外力作用下位错引起的裂纹与扩展

5．3．4 前刀面形貌分析

5．3．5 降低粘结破损的措施

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢