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1 陶瓷刀具材料发展概况1

1.1 陶瓷刀具的种类及发展状况1

1.1.1 Al2O3－碳化物陶瓷刀具1

1.1.2 Al2O3－碳化物－金属陶瓷刀具2

1.1.3 添加氮化物、硼化物的Al2O3陶瓷刀具2

1.1.4 增韧的Al2O3陶瓷刀具2

1.1.5 添加锰钛的ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具3

1.1.6 Al2O3－金属－氮化物陶瓷刀具3

1.1.7 Si3N4系陶瓷刀具3

1.1.8 Sialon陶瓷刀具3

1.1.9 梯度复相陶瓷刀具4

1.1.10 有机改性陶瓷刀具4

1.1.11 CBN-TiN复合陶瓷刀具4

1.1.12 Fe3Al(FeAl)/Al2O3陶瓷基复合刀具5

1.1.13 TiB2复合陶瓷刀具材料5

1.1.14 涂层刀具材料5

1.2 陶瓷刀具材料的增韧机理6

1.2.1 颗粒弥散增韧补强机理6

1.2.2 纤维增韧机理7

1.2.3 应力诱导相变增韧7

1.2.4 显微裂纹增韧8

1.2.5 残余应力增韧8

1.2.6 相变增韧机理9

1.2.7 协同增韧机理9

1.3 先进陶瓷刀具的应用10

1.3.1 复合Si3N4陶瓷刀具的应用10

1.3.2 复合TiCN金属陶瓷刀具的应用11

1.4 国外陶瓷刀具的应用11

1.4.1 氧化物陶瓷类12

1.4.2 混合陶瓷类12

1.4.3 赛隆陶瓷类12

1.5 先进陶瓷刀具发展趋势13

2 氧化物陶瓷刀具材料类型及性能15

2.1 氧化铝和氧化锆材料特性15

2.2 氧化锆增韧陶瓷的性能及结构16

2.2.1 ZrO2的晶体结构特征16

2.2.2 ZrO2的稳定化及二元相平衡18

2.2.3 四方（t）-ZrO2到单斜（m）-ZrO2的相变特征20

2.3 ZrO2增韧陶瓷的种类及增韧原理21

2.3.1 四方多晶氧化锆增韧陶瓷（TZP）21

2.3.2 部分稳定氧化锆增韧陶瓷（PSZ）21

2.3.3 弥散四方多晶氧化锆增韧陶瓷（TZC）22

2.3.4 氧化锆陶瓷的增韧原理22

2.4 氧化锆陶瓷的晶粒尺寸与增韧机制25

2.4.1 冷却过程t→m相变的临界晶粒尺寸25

2.4.2 应力诱导下t→m相变的临界粒径26

2.4.3 t→m相变诱发微裂纹的临界直径26

2.5 氧化锆陶瓷发展过程存在的不足27

2.6 氧化锆增韧Al2O3陶瓷的研究概况28

2.6.1 弥散未稳定ZrO2的ZTA陶瓷29

2.6.2 含（弥散）部分稳定ZrO2的ZTA陶瓷29

2.6.3 混合结构的ZTA陶瓷32

2.6.4 ZTA共晶体陶瓷32

2.7 ZTA陶瓷存在的不足及发展方向32

3 氧化物陶瓷刀具材料制备方法35

3.1 陶瓷刀具材料的发展过程35

3.2 陶瓷刀具材料研究的现状37

3.3 陶瓷刀具的制造方法39

3.4 陶瓷刀具的切削性能41

3.4.1 陶瓷刀具的切削磨损机理41

3.4.2 陶瓷刀具的磨损形态42

3.5 氧化物陶瓷刀具材料的制备45

3.5.1 粉体制备45

3.5.2 复合粉体制备47

3.5.3 真空烧结工艺47

3.6 陶瓷刀具材料力学性能测试47

3.6.1 线收缩率及相对密度47

3.6.2 维氏硬度测试方法49

3.6.3 抗弯强度及断裂韧性51

3.6.4 提高断裂韧性测量精度的方法53

3.6.5 抗热震性能55

3.6.6 力学性能数据分析55

3.7 陶瓷刀具材料的微观组织及相分析55

3.7.1 扫描电镜（SEM）观察试样表面和断口形貌55

3.7.2 相组成计算55

3.8 陶瓷刀具材料的切削性能试验方法56

3.8.1 切削试验方法56

3.8.2 切削用量及耐用度57

3.8.3 切削用量的选择及对耐用度的影响57

3.8.4 进给量的选定59

4 Al2O3/ZrO2(3Y)刀具材料烧结致密化与显微组织60

4.1 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的烧结致密化60

4.1.1 ZrO2含量和烧结温度对致密化的作用60

4.1.2 ZrO2中Y2O3含量对烧结致密化的作用61

4.1.3 能谱分析Al2O3与ZrO2(Y2O3)的作用机制63

4.2 A12O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的显微组织64

4.2.1 Al2O3的显微组织64

4.2.2 烧结温度对Al2O3/ZrO2刀具材料显微组织影响64

4.3 ZrO2含量对Al2O3/ZrO2刀具材料显微组织影响71

4.3.1 ZrO2(2Y)含量对晶粒尺寸影响71

4.3.2 ZrO2(3Y)含量对晶粒尺寸影响72

4.3.3 ZrO2(Y2O3)含量与晶粒尺寸的关系72

4.4 ZrO2含量对A12O3/ZrO2刀具材料断口组织形貌影响74

4.4.1 A12O3/ZrO2(2Y)的断口组织形貌74

4.4.2 Al2O3/ZrO2(3Y)的断口组织形貌76

5 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料力学性能及强韧化机理78

5.1 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的力学性能78

5.1.1 烧结温度对A12O3/ZrO2刀具材料抗弯强度影响78

5.1.2 ZrO2含量对Al2O3/ZrO2刀具材料断裂韧性影响78

5.2 ZrO2中Y2O3含量对Al2O3/ZrO2刀具材料力学性能影响80

5.2.1 影响刀具材料强度和韧性的主要因素80

5.2.2 ZrO2(Y2O3)含量对刀具材料硬度的影响81

5.2.3 ZrO2中Y2O3含量对刀具材料强度和韧性的影响82

5.3 Al2O3和Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的可靠性分析83

5.4 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的强韧化与相变行为86

5.4.1 ZrO2(Y2O3)在Al2O3基体中的相变条件及晶粒尺寸影响86

5.4.2 ZrO2(Y2O3)含量对相变增韧机制的作用89

5.4.3 ZrO2(2Y)含量对应力诱导相变增韧的影响89

5.4.4 ZrO2(3Y)含量对应力诱导相变增韧的影响91

5.5 其他增韧机制93

6 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的抗热震性能97

6.1 刀具材料的热震损伤行为97

6.1.1 刀具材料的热震残留强度97

6.1.2 刀具材料的热震断口形态98

6.2 刀具材料抗热震因子及断裂功计算102

7 仿真技术在切削加工中的应用105

7.1 仿真技术在切削中应用基础105

7.1.1 仿真技术的发展105

7.1.2 仿真技术在切削中研究现状106

7.1.3 仿真分析选择108

7.2 数值模拟方法108

7.2.1 有限差分法108

7.2.2 有限元法109

7.2.3 拉格朗日法109

7.2.4 欧拉法110

7.2.5 模拟切削方法对比110

7.3 Deform2D简介110

7.3.1 Deform2D的模块结构111

7.3.2 Deform2D的主要功能111

7.4 金属切削变形及有限元的基本理论112

7.4.1 金属切削层的变化规律112

7.4.2 刀面与刀尖和已加工表面间的挤压与摩擦113

7.4.3 切屑变形的变化规律115

7.4.4 加工变形与传热问题的基本理论115

7.4.5 热力耦合分析方法117

7.4.6 热力耦合控制方程118

8 构建Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具与加工材料的切削模型119

8.1 干式切削加工热力耦合分析过程119

8.1.1 三维到二维切削模型的转化120

8.1.2 模拟方法120

8.1.3 瞬态切削几何模型122

8.1.4 稳态切削几何模型124

8.1.5 材料的本构方程124

8.1.6 接触模型125

8.1.7 摩擦模型126

8.1.8 分离准则127

8.2 基于仿真切削的基本要求及条件129

8.2.1 刀具的几何参数129

8.2.2 工件的几何参数129

8.2.3 有限元模型和边界条件129

8.2.4 A12O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具的物理参数130

8.2.5 工件材料的选择及物理参数130

8.2.6 工件的Johnson-Cook模型物理参数130

8.2.7 仿真模拟过程131

9 实际半精加工切削1045淬火钢与仿真切削对比132

9.1 实际半精加工1045淬火钢的切削性能及耐用度132

9.1.1 陶瓷刀具切削1045淬火钢的实际意义132

9.1.2 氧化物陶瓷刀具的性能特点132

9.1.3 合理的选择陶瓷刀片几何形状及参数133

9.1.4 陶瓷刀具负倒棱在切削中的作用机理134

9.1.5 A12O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具切削的耐磨性能137

9.1.6 陶瓷刀具的失效形式和磨损机理138

9.1.7 一元线性回归对Al2O3/ZrO2(3Y)陶瓷刀具耐用度的评价141

9.2 基于1045淬火钢半精加工仿真切削及稳态温度场和应力场144

9.2.1 半精加工仿真参数选取144

9.2.2 1045淬火钢半精加工的瞬态仿真切削146

9.2.3 仿真切削过程中的切屑形成146

9.2.4 1045淬火钢半精加工稳态仿真切削148

9.2.5 不同切削速度下1045淬火钢半精加工的稳态温度场148

9.2.6 不同切削速度下1045淬火钢半精加工的稳态应力场150

9.2.7 不同进给量下1045淬火钢半精加工的稳态温度场和应力场151

9.2.8 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响154

10 基于1045淬火钢粗、精加工的仿真切削156

10.1 基于1045淬火钢粗加工仿真切削及稳态温度场和应力场156

10.1.1 粗加工仿真切削参数选取156

10.1.2 不同切削速度下1045淬火钢粗加工的稳态温度场157

10.1.3 不同切削速度下1045淬火钢粗加工的稳态应力场159

10.1.4 不同进给量下1045淬火钢粗加工的稳态温度场和应力场161

10.1.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响164

10.2 基于1045淬火钢精加工仿真切削及稳态温度场和应力场166

10.2.1 精加工仿真切削参数选取166

10.2.2 不同切削速度下1045淬火钢精加工的稳态温度场167

10.2.3 不同切削速度下1045淬火钢精加工的稳态应力场169

10.2.4 不同进给量下1045淬火钢精加工的稳态温度场和应力场171

10.2.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响174

11 基于H13模具钢粗、半精、精加工的仿真切削177

11.1 H13模具钢粗加工的仿真切削及稳态温度场和应力场177

11.1.1 粗加工仿真切削参数选取177

11.1.2 不同切削速度下H13模具钢粗加工的稳态温度场178

11.1.3 不同切削速度下H13模具钢粗加工的稳态应力场180

11.1.4 不同进给量下H13模具钢粗加工的稳态温度场和应力场182

11.1.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响186

11.2 H13模具钢半精加工仿真切削及稳态温度场和应力场187

11.2.1 半精加工仿真切削参数选取187

11.2.2 不同切削速度下H13模具钢半精加工的稳态温度场187

11.2.3 不同切削速度下H13模具钢半精加工的稳态应力场190

11.2.4 不同进给量下H13模具钢半精加工的稳态温度场和应力场192

11.2.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响195

11.3 H13模具钢精加工仿真切削及稳态温度场和应力场197

11.3.1 精加工仿真切削参数选取197

11.3.2 不同切削速度下H13模具钢精加工的稳态温度场198

11.3.3 不同切削速度下H13模具钢精加工的稳态应力场201

11.3.4 不同进给量下H13模具钢精加工的稳态温度场和应力场203

11.3.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响206

12 氧化物陶瓷刀具仿真切削的应用与展望208

12.1 仿真切削模型的构建与优选切削参数208

12.2 建立数字化陶瓷刀具库的展望209

附录210

附表1 常用材料特性表210

附表2 各国常用金属材料对照表212

附表3 硬度对照表215

中英文词汇对照表220

索引225

参考文献229