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第1章 绪论1

1.1 从传统陶瓷到特种陶瓷1

1.1.1 特种陶瓷的特性和应用领域2

1.1.2 研究特种陶瓷的意义和特种陶瓷的发展前景2

1.2 刀具材料的最新发展3

1.2.1 涂层刀具3

1.2.2 超细晶硬质合金刀具4

1.2.3 金属陶瓷刀具4

1.2.4 陶瓷刀具4

1.2.5 超硬材料刀具4

1.3 金属陶瓷的定义和一般原理5

1.3.1 金属陶瓷的定义5

1.3.2 金属陶瓷材料体系的选择原则5

1.3.3 金属陶瓷复合原理7

1.4 金属陶瓷的类型及应用8

1.4.1 氧化物基金属陶瓷9

1.4.2 碳化物基金属陶瓷11

1.4.3 碳氮化物基金属陶瓷12

1.4.4 硼化物基金属陶瓷12

1.4.5 含石墨或金刚石状碳的金属陶瓷13

1.5 金属陶瓷的制备、显微组织及合金成分对材料性能的影响14

1.5.1 金属陶瓷的制备方法14

1.5.2 金属陶瓷的显微组织及合金成分对材料性能的影响15

1.6 金属陶瓷的性能与成本16

1.7 金属陶瓷的应用、前景及发展趋势18

1.7.1 金属陶瓷的应用及前景18

1.7.2 金属陶瓷的发展趋势19

1.8 Ti（C,N）基金属陶瓷材料的发展概况及特性19

1.8.1 Ti（C,N）基金属陶瓷材料的发展19

1.8.2 纳米与纳米技术21

1.8.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的结构和性能23

1.8.4 Ti（C,N）基金属陶瓷的发展趋势25

参考文献26

第2章 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备工艺29

2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的粉末制备29

2.1.1 制取金属陶瓷粉末的固相法30

2.1.2 制取金属陶瓷粉末的液相法34

2.1.3 制取金属陶瓷粉末的气相法37

2.1.4 Ti（C,N）基金属陶瓷粉末制备的实例42

2.2 金属陶瓷的成形方法44

2.2.1 成形前的原料处理44

2.2.2 成形方法51

2.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的烧结56

2.3.1 金属陶瓷的烧结机理56

2.3.2 Ti（C,N）基金属陶瓷烧结方法59

参考文献64

第3章 Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织67

3.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的显微结构67

3.1.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的显微组织67

3.1.2 金属陶瓷的相界面结构69

3.1.3 金属陶瓷组织的取向关系74

3.2 粉末组分对Ti（C,N）基金属陶瓷组织的影响77

3.2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的组分77

3.2.2 添加剂组分对Ti（C,N）基金属陶瓷组织的影响78

3.3 原始粉末粒度对显微组织的影响93

3.3.1 原始粉末粒度对金属陶瓷显微组织的影响93

3.3.2 原始粉末粒度对Co为黏结相的金属陶瓷显微组织的影响99

3.4 Ti（C,N）基金属陶瓷梯度功能材料（FGM）106

3.4.1 FGM的发展106

3.4.2 Ti（C,N）基金属陶瓷FGM112

参考文献115

第4章 Ti（C,N）基金属陶瓷的力学性能122

4.1 弹性模量122

4.1.1 弹性及弹性模量122

4.1.2 显微结构对弹性模量的影响123

4.1.3 弹性模量的测试方法124

4.2 抗弯强度127

4.2.1 金属陶瓷的抗弯强度测试127

4.2.2 影响Ti（C,N）基金属陶瓷强度的因素127

4.3 硬度144

4.3.1 金属陶瓷硬度的测试方法144

4.3.2 影响Ti（C,N）基金属陶瓷硬度的因素145

4.4 断裂韧性152

4.4.1 断裂韧性的基本概念152

4.4.2 金属陶瓷断裂韧性的测试方法152

4.4.3 影响断裂韧性的因素154

4.5 冲击韧性158

4.6 疲劳裂纹扩展速率（da/dv-△K）曲线159

4.6.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的疲劳裂纹扩展速率159

4.6.2 Ti（C,N）基金属陶瓷的疲劳裂纹扩展特性159

4.6.3 金属陶瓷的疲劳裂纹扩展机理161

4.7 摩擦磨损162

4.7.1 摩擦磨损162

4.7.2 润滑条件下的摩擦磨损研究163

4.7.3 干磨损条件下的摩擦磨损研究165

参考文献166

第5章 Ti（C,N）基金属陶瓷的抗热震性169

5.1 热应力169

5.1.1 热应力的来源169

5.1.2 热应力的计算170

5.2 陶瓷材料的抗热震性评价理论171

5.2.1 临界应力断裂理论171

5.2.2 热震损伤理论172

5.2.3 断裂开始和裂纹扩展的统一理论173

5.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的热震残留强度174

5.3.1 热震残留强度理论174

5.3.2 金属陶瓷热震残留强度的影响因素175

5.4 热震条件对金属陶瓷热震裂纹萌生及扩展的影响179

5.4.1 循环温度对金属陶瓷热震裂纹萌生及裂纹扩展速率的影响179

5.4.2 黏结相含量对金属陶瓷热震裂纹萌生孕育期及扩展速率的影响180

5.4.3 晶粒度大小对金属陶瓷热震性能的影响181

5.4.4 化学成分对金属陶瓷热震裂纹扩展速率与萌生孕育期的影响182

5.4.5 冷却介质对金属陶瓷热震裂纹扩展速率的影响183

5.4.6 缺口对金属陶瓷热震裂纹扩展速率的影响185

5.5 金属陶瓷热震裂纹的萌生及扩展机制186

5.5.1 金属陶瓷热震过程的微孔洞形成机制186

5.5.2 金属陶瓷热冲击疲劳裂纹的形成机制188

5.5.3 金属陶瓷热震裂纹扩展机制189

5.6 陶瓷材料抗热震性测试方法及提高抗热震性的途径193

5.6.1 陶瓷材料抗热震性测试方法193

5.6.2 提高陶瓷材料抗热震性的途径194

参考文献194

第6章 金属陶瓷的润湿性196

6.1 金属陶瓷中润湿性的研究196

6.1.1 润湿现象与表征196

6.1.2 润湿性分类196

6.1.3 润湿性机理197

6.1.4 润湿性研究实验方法及手段198

6.1.5 改善润湿性的途径200

6.2 陶瓷基板的制备和测试201

6.2.1 陶瓷基板试样的成分201

6.2.2 陶瓷基板试样的制备203

6.2.3 测试与表征204

6.3 Ni对Ti（C,N）基多元陶瓷润湿性207

6.3.1 试样制备和试验方法207

6.3.2 试验工艺条件对接触角的影响208

6.3.3 添加碳化物对接触角的影响210

6.4 Ni/（Me,Ti）（C,N）体系界面结合强度223

6.4.1 实验方法223

6.4.2 界面结合强度224

6.4.3 断裂方式226

6.4.4 断口分析227

6.5 润湿性与多元陶瓷相价电子结构的关系230

6.5.1 陶瓷相价电子结构的计算230

6.5.2 陶瓷相价电子结构计算结果233

6.5.3 多元回归分析237

6.5.4 润湿性与价电子结构的关系241

参考文献242

第7章 Ti（C,N）基金属陶瓷的其他性能245

7.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的塑性变形及蠕变245

7.1.1 金属陶瓷的塑性变形245

7.1.2 金属陶瓷的超塑性247

7.1.3 金属陶瓷的蠕变250

7.2 Ti（C,N）基金属陶瓷的抗氧化性256

7.2.1 加热温度对抗氧化性能的影响256

7.2.2 化学成分对金属陶瓷及硬质合金抗氧化性能的影响257

7.2.3 金属陶瓷与硬质合金抗氧化性能作用机理258

7.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的焊接性259

7.4 Ti（C,N）基金属陶瓷的高温性能261

7.5 Ti（C,N）基金属陶瓷的磨削性能263

7.5.1 Ti（C,N）基金属陶瓷的金刚石砂轮磨削性263

7.5.2 陶瓷磨削性能的影响因素263

参考文献264

第8章 纳米TiN改性TiC基金属陶瓷组织与力学性能266

8.1 纳米材料及纳米改性材料266

8.2 实验材料和方法266

8.2.1 实验材料266

8.2.2 实验方法267

8.3 纳米TiN添加量对材料微观组织的影响268

8.4 纳米TiN添加对金属陶瓷材料力学性能的影响270

8.5 纳米—微米TiN复合添加对金属陶瓷材料组织的影响274

8.6 纳米—微米TiN复合添加对金属陶瓷力学性能的影响275

参考文献278

第9章 含Co的纳米改性金属陶瓷的组织与力学性能279

9.1 Mo含量对金属陶瓷组织和力学性能的影响279

9.1.1 试验材料和方法279

9.1.2 Mo添加量对5Co+5Ni金属陶瓷组织的影响280

9.1.3 Mo添加量对10Co+10Ni金属陶瓷组织的影响283

9.1.4 Mo含量对5Co+5Ni金属陶瓷力学性能的影响285

9.2 WC含量对金属陶瓷组织和力学性能的影响286

9.2.1 WC含量对金属陶瓷组织的影响286

9.2.2 WC含量对金属陶瓷力学性能的影响290

9.3 C含量对金属陶瓷组织和力学性能的影响294

9.3.1 C含量对金属陶瓷组织的影响294

9.3.2 C含量对金属陶瓷力学性能的影响296

参考文献300

第10章 铣刀用纳米改性金属陶瓷材料组织与力学性能301

10.1 铣刀用纳米改性金属陶瓷材料成分设计301

10.2 铣刀用纳米改性金属陶瓷材料制备302

10.3 铣刀用纳米改性金属陶瓷力学性能302

10.3.1 黏结相含量对金属陶瓷力学性能的影响302

10.3.2 黏结相种类对金属陶瓷力学性能的影响304

10.3.3 Ni/Co比值对金属陶瓷力学性能的影响305

10.3.4 添加Mo对金属陶瓷力学性能的影响306

10.4 铣刀用纳米改性金属陶瓷显微组织307

10.4.1 显微组织307

10.4.2 化学成分对金属陶瓷组织的影响309

10.5 断口形貌311

参考文献313

第11章 超细晶粒Ti（C,N）基金属陶瓷组织和力学性能314

11.1 金属陶瓷材料成分设计314

11.2 金属陶瓷材料制备316

11.3 材料性能测试317

11.4 显微组织和力学性能319

11.4.1 原始粉末粒径对显微组织的影响319

11.4.2 原始粉末粒径对力学性能的影响324

11.4.3 TiC/TiN添加对组织和力学性能的影响325

11.4.4 TiC/TiN添加对力学性能的影响332

11.4.5 Mo、Co添加量对金属陶瓷组织和力学性能的影响336

参考文献339

第12章 纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的切削性能341

12.1 切削正火态45＃钢341

12.1.1 刀具的切削与磨损341

12.1.2 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具切削磨损特点342

12.1.3 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具的切削用量优化347

12.2 切削灰铸铁350

12.2.1 灰铸铁材料的切削特点350

12.2.2 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具切削磨损特点351

12.3 切削淬火态45＃钢356

12.3.1 淬火钢的切削加工特点356

12.3.2 纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具切削磨损特点357

12.3.3 刀具的失效形式与磨损曲线357

12.3.4 纳米改性金属陶瓷刀具与对比刀具的切削性能比较358

12.3.5 纳米改性金属陶瓷刀具的切削用量优化359

12.3.6 切削淬火态45＃钢时的广义Taylor公式361

12.4 切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti361

12.4.1 材料的切削加工性361

12.4.2 纳米改性金属陶瓷刀具切削不锈钢的切削性能362

参考文献363

第13章 含Co的纳米改性金属陶瓷刀具的切削性能364

13.1 切削正火态45＃钢364

13.1.1 刀具的磨损形态和过程364

13.1.2 刀具材料及试验条件365

13.1.3 纳米改性金属陶瓷刀具切削试验结果367

13.1.4 纳米改性金属陶瓷刀具的切削参数优化370

13.1.5 纳米改性金属陶瓷刀具的切削特点及磨损机理374

13.2 切削灰铸铁时的切削性能、参数优化及磨损机理381

13.2.1 试验条件和方法382

13.2.2 切削试验结果382

13.2.3 纳米改性金属陶瓷刀具的切削参数优化386

13.2.4 纳米改性金属陶瓷刀具切削磨损机理390

13.2.5 金属陶瓷刀具切削灰铸铁时磨损机理393

参考文献394

第14章 纳米改性金属陶瓷可转位面铣刀396

14.1 可转位面铣刀发展概况396

14.2 可转位面铣刀的结构形式和使用范围398

14.2.1 刀片的定位形式398

14.2.2 刀片轴向及径向位置的调整形式398

14.2.3 刀片的夹紧形式398

14.3 可转位面铣刀的刀片形式398

14.3.1 刀片的形状398

14.3.2 刀片的刃口形式398

14.3.3 刀片的刀尖形式398

14.4 可转位面铣刀的几何角度398

14.4.1 主要几何角度的符号及意义399

14.4.2 可转位面铣刀几何角度的选择399

14.5 端铣削方式及铣刀相对工件的位置400

14.6 铣削要素及铣削用量的选取401

14.6.1 铣削要素401

14.6.2 铣削用量的选取401

14.7 金属陶瓷可转位面铣刀的铣削性能及磨损机理402

14.7.1 概述402

14.7.2 铣刀磨损及耐用度403

14.7.3 试验方法和条件404

14.7.4 纳米改性金属陶瓷可转位面铣刀铣削实验405

14.7.5 铣刀磨损形态和机理409

参考文献413

第15章 超细晶粒Ti（C,N）基金属陶瓷可转位车刀的切削性能415

15.1 实验材料和方法415

15.1.1 刀具材料415

15.1.2 可转位车刀的几何尺寸以及切削参数的选择415

15.2 超细晶Ti（C,N）基金属陶瓷刀具的切削行为416

15.3 超细晶粒Ti（C,N）基金属陶瓷刀具的磨损特性419

参考文献422

第16章 金属切削有限元模拟423

16.1 概述423

16.2 三维切削几何模型的简化423

16.3 材料模型的建立424

16.4 摩擦模型的建立424

16.5 二维切削有限元模型的建立425

16.5.1 几何模型转化为有限元网格模型425

16.5.2 材料性能参数设置425

16.5.3 接触条件设置426

16.5.4 网格重划分426

16.5.5 时间步长的设定427

16.6 三维切削有限元模型的建立427

16.7 金属切削有限元模型的切削参数设置427

16.8 金属切削二维有限元模拟结果427

16.8.1 金属切削过程中切削力变化427

16.8.2 金属切削过程中的温度场分析429

16.8.3 金属切削过程中的应力场分析432

16.8.4 金属切削过程中的应变场分析435

16.9 金属切削三维有限元模拟结果436

16.9.1 Ti（C,N）基金属陶瓷刀具的磨损分析436

16.9.2 不同材料刀具磨损性能对比438

16.10 切屑卷曲变形及断裂分析439

16.10.1 切屑卷曲程度的研究440

16.10.2 切屑的等效应力分布441

16.10.3 切屑的剪应力分布441

16.10.4 切削金属断裂临界值的探讨442

16.11 切削试验444

参考文献446