石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料及性能研究

本书是作者基于多年对陶瓷刀具材料增韧机制及新材料的研究编写而成。本书详细地分析了石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具材料的设计及性能：通过在氧化铝基陶瓷刀具材料中加入石墨烯来调节界面结构，借助计算力学技术和有限元分析技术，分析了陶瓷复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，设计并构筑了石墨烯-氧化铝/碳化钛复相陶瓷材料界面，引入多种强韧化机制，以显著提高陶瓷刀具材料的切削性能。这对提高淬硬钢等难加工材料的加工效率具有重要的实际意义。 本书不仅对现有研究进行总结，也对后续石墨烯的分散方式以及石墨烯的改性方式的研究提供理论依据。

氧化铝基陶瓷刀具材料在硬度、化学稳定性、耐热性和耐磨性等方面均有良好的表现，在高速切削领域有着硬质合金刀具材料无可比拟的优点，但由于其强度、断裂韧性、热导率和抗热震性较低，限制了其在高速切削中的广泛应用。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，具有超大的比表面积、超高的强度和韧性，它的出现为陶瓷刀具材料的强韧化提供了新的可能和手段。
本书基于第一性原理和有限元仿真分析，针对淬硬钢、超高强度钢等难加工材料的高速加工，将多层石墨烯纳米片作为陶瓷刀具材料的强韧化相，设计并构筑石墨烯-复相陶瓷微观结构，利用石墨烯超大的比表面积和二维结构，引入裂纹偏折、裂纹分叉、石墨烯纳米片拔出、桥接等多种强韧化机制，从而显著提高陶瓷刀具材料的力学性能。研究石墨烯强韧化陶瓷刀具高速切削时的摩擦磨损特性、刀具寿命和加工表面完整性，以及石墨烯对其的调控作用，对于丰富刀具设计理论，提高切削加工效率及加工质量，具有重要的理论和实际意义。
本书共分5章。第1章重点介绍了陶瓷刀具材料的发展、研究现状以及研究方法。第2章利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了氧化铝、碳化钛和石墨烯的能带结构和态密度等，进行了体性质、表面性质的分析，确定了最稳定的热力学表面，建立了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷刀具材料中特定界面的模型，进行了界面性能计算，分析了界面稳定性和成键特征，研究了界面性质，为微观结构有限元模型提供了各向异性常数等参量。第3章采用Voronoi镶嵌来表征晶粒，基于内聚力单元法(Cohesive Zone Method，CZM)，建立了石墨烯-陶瓷刀具材料微观结构的参数化有限元模型，基于三点弯曲试验的有限元模拟及数值均匀化理论，建立了抗弯强度和断裂韧性预报模型，研究了材料组分、添加相体积分数及粒径对宏观材料的断裂韧性和抗弯强度的影响，为材料组分设计提供理论指导。第4章根据材料性能预报结果制备了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷刀具材料，测试其力学性能，表征其微观结构，优化了石墨烯含量，并揭示了石墨烯的强韧化机理。第5章应用所设计的石墨烯强韧化刀具进行淬硬42CrMo钢的连续干切削试验，并与不含石墨烯的氧化铝-碳化钛刀具及商用刀具进行对比，通过分析切削力、切削温度及刀具寿命来研究所研制刀具的切削性能，进一步验证设计方法的可行性和石墨烯的强韧化效果。
本书由山东交通学院李作丽、孙芹老师完成，笔者在研究过程中得到山东大学工程机械学院赵军教授和张进生教授的热情指导，并且得到了山东交通学院博士科研启动基金项目氧化铝基陶瓷刀具材料微观结构晶界设计研究（BS201901041）、宽幅面硬质石材高效锯切加工技术的基础研究（BS201901040）和“攀登计划”重点科研创新团队——高端装备与智能制造（sdjtuc18005）的资助，在此表示衷心感谢。
特别说明的是，本书为黑白印刷，部分图例、曲线无法区分，对于这些图，读者可扫描下方二维码查看彩色版，提供彩色版的图均在图题后以“（电子版）”进行了标注。
由于笔者水平有限，书中难免存在一些不足之处，真诚欢迎广大读者批评指正。

著者
2020年9月

《石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料及性能研究》详细地分析了石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具材料的设计及性能：通过在氧化铝基陶瓷刀具材料中加入石墨烯来调节界面结构，借助计算力学技术和有限元分析技术，分析了陶瓷复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，设计并构筑了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷材料界面，引入多种强韧化机制，以显著提高陶瓷刀具材料的切削性能。这对提高淬硬钢等难加工材料的加工效率具有重要的实际意义，也对后续石墨烯的分散方式以及石墨烯的改性方式的研究提供理论依据。
本书可供刀具设计人员及高等院校相关专业院校师生参考。

第1章陶瓷刀具材料概述1
1.1切削刀具材料1
1.2陶瓷刀具材料的发展及研究现状4
1.2.1陶瓷刀具材料的发展4
1.2.2陶瓷刀具材料的分类6
1.2.3陶瓷刀具材料强韧化机理8
1.2.4氧化铝陶瓷刀具研究现状13
1.2.5界面调控及其在复合材料中的应用14
1.2.6石墨烯-陶瓷复合材料研究现状16
1.3陶瓷刀具材料设计与研究方法19
1.3.1陶瓷材料设计方法19
1.3.2多尺度方法概述22
1.3.3基于计算几何的仿真技术26

第2章陶瓷刀具材料界面性质30
2.1材料计算概述31
2.2建模理论32
2.2.1CASTEP介绍32
2.2.2CASTEP的使用34
2.2.3密度泛函理论35
2.2.4基于密度泛函理论的计算方法38
2.3界面结构与材料性能的关系40
2.4晶体体性质的计算42
2.4.1能带理论42
2.4.2α-氧化铝的体性质44
2.4.3碳化钛的体性质49
2.4.4石墨烯的性质52
2.5晶面性质的计算54
2.5.1α-氧化铝表面性质的计算55
2.5.2碳化钛表面性质的计算57
2.6界面性质的计算59
2.6.1氧化铝和碳化钛界面61
2.6.2石墨烯与其他晶面的界面62
2.7界面结合强度计算63

第3章基于微观结构有限元分析模型的陶瓷刀具材料性能预报68
3.1模拟方法概述69
3.2材料微观结构有限元分析模型70
3.2.1代表性体积单元70
3.2.2微观结构几何模型72
3.2.3晶粒位向及材料各向异性76
3.2.4损伤和断裂准则78
3.3微观结构有限元模型仿真参数确定82
3.3.1内聚力单元刚度82
3.3.2晶粒形状86
3.3.3模型可靠性验证88
3.3.4含石墨烯的陶瓷刀具材料有限元分析模型88
3.4基于微观结构有限元模型的性能预报模型 91
3.4.1基于数值的均匀化方法简介91
3.4.2性能预报模型中宏、微观参数的关联92
3.4.3断裂韧性的预测模型及影响因素97
3.4.4抗弯强度的预测模型及影响因素106

第4章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料制备及力学性能118
4.1刀具材料制备118
4.1.1原材料概述118
4.1.2材料相容性判定119
4.1.3石墨烯的分散121
4.1.4刀具材料的制备流程122
4.1.5材料的力学性能和微观结构测试方法124
4.2所制备材料的力学性能126
4.3复合陶瓷刀具材料微观结构分析127
4.3.1粉料微观形貌及烧结前后材料的成分对比127
4.3.2试样表面压痕裂纹分析130
4.3.3断口微观形貌分析132
4.3.4界面结构观察135
4.4石墨烯的作用机理分析138
4.4.1界面差分电子密度计算138
4.4.2强弱界面协同强韧化139
4.4.3石墨烯其他强韧化机理140
4.5石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的各向异性141

第5章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具切削性能147
5.1试验条件147
5.2切削过程与切屑形态150
5.3切削力与切削温度152
5.4石墨烯含量对陶瓷刀具损伤特征的影响156
5.5刀具寿命与刀具失效演变161
5.6刀具失效特征与失效机理167

参考文献173