Ti(C,N)基金属陶瓷抗弯强度的Weibull分析
纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热震性能研究
Ｔ ｅｍａ ｈ ｃ ｅｉｔｎ ｅｏ ａ ｏ Ｔｉ ｍｏ ｉ ｅ （ ． ）ｂ ｓｄ ｃ ｒ ｔ ｈ ｒ ｌ ｏ ｋ ｒｓｓａ ｃ ｆｎ ｎ ． Ｎ ｄｆ ｄ Ｔｉ Ｃ Ｎ ． ａｅ ｅ ｍｅｓ ｓ ｉ
ＺＨＡＮＧ ａ — ｏ， Ｕ ｎｇ， Ｘｉ ｏ ｂ ＬＩ Ｎｉ ＹＵ ａ Ｌ ｎｇ， Ｃｈ ｏ， ＩＹｏ ＣＨＥＮ ｎ Ｙａ
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（ ｃ ｏｌ ｆ ｔｒ ｌ ＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｈ ｆ ｎ ｅｓｙｏ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ Ｈ ｆｉ ｎ ｕ ２ ０ ０ ， ｈ ａ Ｓ ｈｏ ｏ ｅ ａｓ ｃ ｃ ｎ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｅ ｉ ｉ ｒｔ ｆ ｅｈ ｏｏ ， ｅ ｈ ｉ ３ ０ ９ Ｃ ｉ ） Ｍａ ｉ ｅ ｎ ｉ ｅＵ ｖ ｉ ｇ ｅＡ ｎ
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纳 米 改 性 Ｔ （ Ｎ） 金 属 陶 瓷 的 抗 热 震 性 能 研 究 ｉ Ｃ， 基
章晓 波 ， 刘 宁， 于 超， 李 勇， 陈 焱 ２００ ） ３ ０ ９ （ 肥工 业大 学 材 料科 学 与工程 学 院， 合 安徽 合肥
织 中出现裂 纹 ， 口中有 气孑 及 裂纹 出现 ， 致材 料强 度下 降 。对热 震试 样硬 度 的测 试 结果 表 明 ， 米 ＴＮ改性 断 Ｌ 导 纳 ｉ Ｔ （ Ｎ） 金属 陶瓷在 热震后仍 然具 有很 高 的硬 度 。 ｉＣ， 基 关 键词 ： 空烧结 ； 真 金属 陶瓷 ； 热震 性 ； 留强 度 ； 冷一 度法 抗 残 急 强 中图分类 号 ： Ｆ ２ ． ； Ｆ ２ ． Ｔ １４５ Ｔ １５４ 文献标 识码 ： Ａ 文 章编号 ：２ ４ ５ （０ ８ ０ － ４ －４ ０ ５ ４０ １ ２ ０ ） ３０ ７０ ０
半刚性材料抗弯拉强度的测定及不确定度评定
半刚性材料抗弯拉强度的测定及不确定度评定
刘国寿;王时越;刘寒芳;赖正聪
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2010(010)027
【摘要】针对柔性路面材料中的一种--半刚性材料,在MTS810试验机上进行静载试验,得到了半刚性材料的抗弯强度,然后根据试验结果,并考虑多个方面的不确定度来源,对其进行不确定度分析和评定.分析结果表明:自由度是最主要的影响因素,相比较而言,其它因素引入的不确定度几乎可以忽略.在条件允许的情况下,应尽量增加试件数量,并选择大尺寸的试件.
【总页数】4页(P6809-6811,6815)
【作者】刘国寿;王时越;刘寒芳;赖正聪
【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院,昆明,650224;昆明理工大学建筑工程学院,昆明,650224;昆明市建设工程质量检测中心,昆明,650000;昆明理工大学建筑工程学院,昆明,650224
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.1
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1.用ISO C型试样测试Ti（C，N）基金属陶瓷抗弯强度的不确定度评定 [J], 王晓灵;石丽秋;刘咏
2.Plat—Ⅱ型铸造陶瓷材料抗压,抗拉,抗弯强度和显微硬度的测定 [J], 王华蓉;樊瑜
波
3.硬质合金抗弯强度测试的不确定度评定 [J], 姜恒;王璐;叶娟
4.灌浆预埋再生混凝土抗弯拉强度的试验研究 [J], 朱小艳; 郑建军; 孔德玉
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用ISO C型试样测试Ti（C，N）基金属陶瓷抗弯强度的不确定度评定
用ISO C型试样测试Ti（C，N）基金属陶瓷抗弯强度的不确定度评定王晓灵;石丽秋;刘咏【摘要】As a kind of brittle material, transverse rupture strength (TRS) was adopted to evaluate the strength of Ti (C, N)-based cermets. Whereas, the brittleness of cermet is much higher than WC-based cemented carbide, it is hard to prepare eligible rectangular specimens because of cracking and chipping when grinding. Micro cracks and notches induced on specimens when grinding may bring big error into the results. So, ISO type-C specimens were used to test the TRS of Ti(C, N)-based cermets in the present paper, and the relative uncertainty of the measurement has also been evaluated. The results indicate that the result of type-C specimen is accurate and credible, and the relative expanded uncertainty is small than 5.0%.%Ti(C, N)基金属陶瓷属于硬脆性材料，在实验研究及生产实践中一般用三点抗弯强度来表征其强度。
烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响
烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响龙岩学院毕业论文（设计）题目：烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响学院：化学与材料学院专业：材料科学与工程学号：2011061502作者：星光指导教师(职称)：吴鹏（讲师）二0一五年二月一日1 引言材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。
材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。
值得注意的是，现代先进科技的迅速发展，恶劣的工作环境(高温、腐蚀、磨损等)使得对材料的应用提出了越来越苛刻的要求。
对材料的质量、强度、韧度、抗氧化性及腐蚀性等提出更高的要求。
因为传统的单一材料根本无法满足人类目前以上性能的需求，因此人们必须寻找一种新的材料。
在新型材料研究、开发和应用，在特种性能的充分发挥以及传统材料的改性等方面，材料科学都肩负着重要的历史使命[1]。
于是，工程结构陶瓷便应运而生。
它是伴随现代科学和工程技术的发展以及世界能源危机而兴起的一个新的陶瓷材料领域，近年来发展十分迅猛,研究成果日新月异，已成为无机材料体系中的一大分支[2]。
1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况Ti(C,N)基金属陶瓷，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中陶瓷相约占l5 %～85 %(体积比) ，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相之间的溶解度相当小[3]。
Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、良好的热导率和化学稳定性、优异的抗蠕变性、极低的摩擦因数，因而受到国内外的普遍关注[4-5]。
在1950年TiC金属陶瓷烧结工艺成功开始，人们把大量的目光聚集到切削工具材料上来，通过加入碳化物来增强硬质相。
到90年代初，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额的30 %[6]。
当用其做刀具时，其使用寿命也比硬质合金高，如图1所示[7]。
图1 切削铸铁GGG40时金属陶瓷与其它刀具寿命的比较金属陶瓷既有陶瓷的高强度、高硬度、抗高温和抗氧化等优良性能，又有金属的韧性。
纳米TiN改性Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热震性能
此 ， 实验 采用 实验 试样 数 目较 少 、 据信 息 量大 、 本 数
表征 手 段更 全 面 的压痕 一 冷 法测 试 纳米 ＴＮ改 性 急 ｉ
第 二相 碳化 物 ， Ｍｏ ＷＣ Ｎ Ｃ Ｔ Ｃ Ｖ 如 ２ Ｃ、 、 ｂ 、ａ 、 Ｃ等 。 中 其
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然而， 目前有 关纳米 增 强 Ｔ（， ） 金属 陶瓷 的抗 热 ｉ Ｎ基 Ｃ 震 性 的研究 报 道很 少同 。陶 瓷 材料 的抗 热震 性 能 的
比进行 称量 ，然后 以球 料 比为 ５１ ： 放入尼 龙罐 中 ， 在
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基金项 目：３ １本玻璃扳基金（ ． １０ ２ ７， Ｎｏ ０ － ０ ８） 安徽省自然 科学基金（ ．３４ ９ ２￣ 目资助。 ３ № ０ ０４ ０ ） 作者简介： 章晓波．Ｊ１８ 一 ． ￣ （９ １ ）博士研 究生． 主要从事金属 陶瓷研究ｏ
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第 ２ 第 ３期 ４卷 －
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硬 质 合 金
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２０ ０ ７年 ９月
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Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料的性能影响因素
Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料的性能影响因素张茜;刘兵;陈慧【摘要】Ti（ C，N）基金属陶瓷刀具材料具有优异的切削性能，是现代高速高效切削刀具开发的主要材料之一。
材料的组元、微观结构及其制备工艺是影响刀具切削性能的主要因素。
本文综合概括分析了这些因素对刀具性能的影响机制以及它们之间的内在作用机理，并且对新型Ti（ C，N）基金属陶瓷刀具材料的重点研究方向进行阐述。
%Ti( C,N)-based cermet materials have excellent cutting properties,and are becoming one of the most important raw materials for fabricating high-speed and efficient cutting tools. The chemical compo-nent,microstructure and fabricating method are the mainly effect factors on the cutting properties. In this paper,the effect mechanism of these factors and their relations are summarized and analyzed. And the key research issues of Ti( C,N)based cermet tools are proposed.【期刊名称】《重庆文理学院学报（社会科学版）》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P5-10)【关键词】Ti( C,N);金属陶瓷;刀具;性能【作者】张茜;刘兵;陈慧【作者单位】重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆巴南 400054; 重庆市粉末冶金工程技术研究中心，重庆永川 402160;重庆市粉末冶金工程技术研究中心，重庆永川 402160; 重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室，重庆永川402160;重庆市粉末冶金工程技术研究中心，重庆永川 402160; 重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室，重庆永川 402160【正文语种】中文【中图分类】TG148现代加工技术对切削刀具的要求越来越高，刀具材料的改进和开发也越来越重要.Ti(C，N)基金属陶瓷材料是在20世纪70年代出现的新型工具材料［1］，它在高速切削条件下显示出很好的红硬性、耐磨性、耐热性和优异的抗月牙洼磨损能力.Ti(C，N)基金属陶瓷具有与普通陶瓷相近的硬度和耐热性，但抗弯强度及断裂韧性更高［2］.因此，Ti(C，N)基金属陶瓷是对钢材进行高速加工和半精加工较为理想的刀具材料.Ti(C，N)基金属陶瓷可制成微型可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工及“以车代磨”等精加工和半精加工领域;其功能填补了传统WC-Co系硬质合金与Al2O3陶瓷刀具之间的空白，是一种具有广泛应用前景的刀具材料，也是目前各国刀具新材料的研究热点之一.1 材料的基本组元及其作用Ti(C，N)基金属陶瓷的主要组元包括硬质相、黏结相和添加剂，其中硬质相为Ti(C，N)，黏结相为 Co/Ni/(Co+Ni)［3］，添加剂主要有 WC、Mo2C等.1.1 黏结相对材料性能的影响黏结相含量对材料性能有很大的影响，当其含量增加时，材料的断裂韧性提高，但是硬度下降.在以Ni作为黏结相的Ti(C，N)基金属陶瓷中，随着Ni的含量逐渐降低，黏结相的体积分数也逐渐降低，硬质相的体积分数增加，使材料的硬度提高，抗弯强度下降;但含Ni量达到一定水平后，材料硬度反而下降.用Co部分代替Ni后，材料的强度提高，硬度基本不变，可以通过改变Co的含量来调整金属陶瓷的力学性能［4］.1.2 添加剂对材料性能的影响Ti(C，N)基金属陶瓷中添加剂所起的主要作用有以下几个方面:(1)改善润湿性Ti(C，N)金属陶瓷的烧结温度超过了黏结相的熔点，属于液相烧结.在烧结过程中黏结相与硬质相的润湿性直接影响到材料的力学性能.Ni对Ti(C，N)的润湿性很差，它的润湿角大于90°，不利于材料的烧结致密化过程.在金属陶瓷基体中添加Mo元素后，Mo向Ti(C，N)颗粒扩散并取代其中的 Ti，形成固溶相，使 Ni与Ti(C，N)的润湿角减小，研究表明，润湿角可以减小为0°［5］.因此，在制备过程中通常添加一定量的Mo或Mo2C以改善Ni/(Co+Ni)对硬质相的润湿性.(2)细化晶粒细化硬质相晶粒有利于提高金属陶瓷的强度、硬度和韧性等［6］.添加Mo元素后形成的固溶体不仅改善了硬质相和黏结相之间的润湿性，还可以减少硬质相晶粒间的接触，抑制硬质相晶粒在烧结过程中长大，从而使金属陶瓷的断裂韧性提高.向金属陶瓷中添加一定量的WC，可以促进环形相的形成，并在环形相中富集，抑制Ti(C，N)晶粒的长大，从而达到细化晶粒的目的［7］;但WC的量过多时，使环形相的厚度增加，材料的脆性也相应增加.在金属陶瓷中添加一定量的V，可以与C、N等元素结合形成碳氮化合物，并在晶界上富集，抑制硬质相晶粒长大，提高材料的疲劳强度［8］.另外，添加颗粒细小的TaC、NbC，与 TiC 形成(Nb，Ta，Ti)C 固溶体，能够均匀地弥散分布在整个基体上，成为固态相变中的晶核，使烧结后组织中的硬质相无法团聚，也能达到细化Ti(C，N)晶粒的目的.(3)提高材料的强韧性材料的抗弯强度与添加剂的弹性模量的关系满足 Griffith-Orowan 方程［9］:式中:E为添加剂的弹性模量，P为随裂纹伸长而增加的塑性变形功，L为裂纹长度.由于材料的抗弯强度与弹性模量的平方根成正比，而金属陶瓷材料中添加剂的弹性模量比Ti(C，N)的弹性模量高(如表 1 所示)［10］，所以 Ti(C，N)基金属陶瓷的抗弯强度得到提高.表1 Ti(C，N)基金属陶瓷中主要添加剂的弹性模量添加剂弹性模量450(Ti，Mo/W，Nb，Ta)(C，N) 410 TiN 590 WC 720 NbC 580 TaC 560 Mo2C 540 SiC 450 TiC 470 VC 430(Ti，Mo/W)(C，N)ZrC 400/GPa提高材料韧性的方法主要有晶须增韧、纤维增韧、纳米颗粒增韧等.晶须增韧主要是在金属陶瓷中添加SiC晶须来提高材料的强韧性.瞿峻等［11］在Ti(C，N)基金属陶瓷中添加SiC晶须对其进行增韧.结果表明:微米级SiC晶须的添加量为1﹪时，断裂韧性从8.9 MPa·m-1/2提高到9.5 MPa·m-1/2;但是，随着SiC晶须添加量继续增加，Ti(C，N)金属陶瓷孔隙度增加，材料的力学性能呈现降低的趋势.章晓波等［12］用碳纳米管增韧超细Ti(C，N)金属陶瓷，研究结果表明:由于碳纳米管的加入，裂纹沿硬质相和金属相界面扩展，扩展路径变曲折，增加了断裂表面能，消耗更多的断裂功，起到增韧的作用.同时发现，由于碳纳米管的长径比大，在材料中分散不均匀，容易发生团聚，材料内部产生微孔洞，使裂纹尖端钝化，提高材料的断裂韧性.刘文俊等［13］使用第二相纳米TiC、TiN颗粒增韧Ti(C，N)基金属陶瓷，研究表明:纳米颗粒的加入使具有内-外环形相的小颗粒以及具有白芯-灰壳结构的小颗粒增加，并且在黏结相中弥散分布，减小硬质相的平均粒度，产生细晶强化.根据 Gurland 强度理论［14］，式中:σ为轴应力，φ为硬质相的体积分数，d为硬质相的平均粒度，K'为常数.当向基体中加入一定量的纳米TiC、TiN颗粒后，小颗粒数目增加，硬质相平均粒度d减小，σ增大，提高Ti(C，N)金属陶瓷的强度.(4)提高红硬性Ti(C，N)金属陶瓷刀具主要用于高速切削，在切削过程中产生大量的热，使刀具温度升高，所以它需要添加一些高熔点的碳化物来提高金属陶瓷的红硬性，如 Ta、Nb、Zr、Hf(铪)等.Ta、Nb与C、N的结合力很强，形成的碳氮化物具有很高的热稳定性.TaC的添加可以提高金属陶瓷材料的高温硬度和抗热震性，从而改善材料抗高温形变的能力［15］.添加了 NbC的 Ti(C，N)基金属陶瓷的环形相明显变薄，有利于提高Ti(C，N)的红硬性，并且能够降低材料的烧结温度，提高材料的烧结性能，节约能源［16］.Zr与 C、N 形成Zr(C，N)，抑制了Ni的扩散，使黏结相不易产生塑性变形，从而提高材料的高温性能［17］.Hf与C形成HfC，它具有高硬度和高熔点(4TaC·HfC的熔点约为4 215℃)，能够提高材料的耐高温性能和硬度.2 微观组织结构对性能的影响Ti(C，N)基金属陶瓷材料通过液相烧结而成，烧结后的组织由碳氮化合物硬质相颗粒和金属黏结相组成，即是由Ti(C，N)为核心以及环形相(包覆相)组成［18］.影响材料性能的微观组织结构包括:(1)晶粒度;(2)环形相;(3)孔隙度.2.1 晶粒度的影响晶粒度对材料的力学性能有很大的影响，根据 Hall-Petch 公式［19］，上式中:σ0为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径.晶粒尺寸d越小，材料的强度越高，特别是当硬质相尺寸小于0.5 μm时，材料的硬度和强度同时得到提高.因此，可以通过细化晶粒获得具有优良综合性能的金属陶瓷材料［18，20］. 在金属陶瓷制备过程中，影响烧结体晶粒度的因素主要有原始硬质相粒度、添加剂的粒度等.减小TiC、TiN粉末粒度可以有效细化硬质相颗粒，提高材料的抗弯强度和硬度［21］.在Ti(C，N)基金属陶瓷中添加较细的WC颗粒，可以促进环形相的形成，提高材料的强韧性［19］.粒径越小，材料的抗弯强度越高［22］.2.2 环形相的影响环形相是由 W、Mo、Ta、Nb、V、Hf等添加元素和 Ti(C，N)在黏结相中固溶而形成的［20］，在硬质相和黏结相间形成过渡，改善了它们之间的润湿性，使得两者更好地结合在一起，并且阻碍硬质相颗粒聚集在一起而长大，使硬质相晶粒变细且分布更为均匀，提高材料强度.完整度以及厚度对材料的性能有很大影响，金属陶瓷材料内部的较为完整的环形相增加了硬质相与黏结相的结合强度，产生的裂纹不易扩展，材料的抗弯强度提高.但是，环形相的本质较脆，当环形相的厚度超过一定值时，材料的抗弯强度有明显下降的趋势［23］.2.3 孔隙度的影响孔隙度对金属陶瓷材料的性能有着显著影响，随着孔隙度的增加，材料的力学性能急剧下降.材料的孔隙度受成形工艺和烧结工艺的影响很大.在压制成形过程中，成形剂的黏结性能和润滑性能差、压制压力较小，会导致压坯的孔隙度大.在烧结过程中，烧结温度和保温时间不足，使材料的致密化过程进行不彻底，也会使孔隙度较大.3 制备工艺对结构性能的影响3.1 Ti(C，N)粉体制备工艺的影响Ti(C，N)粉体的制备方法有很多，基本方法有化学法和物理法.(1)化学方法制备的粉体白万杰［24］利用等离子体化学气相合成法来制备纳米级及亚微米级超细陶瓷材料粉体.通过控制反应时间来调整粉体的粒度，控制氨气和液化气的流量来调整C∶N比，调整原料的配方来生产多种碳化物、氮化物和碳氮化物粉体.用此方法获得的粉体纯度高、粒径小、分布均匀，制备的烧结体密度高、晶粒细小，得到的材料性能比较高.Frederic等［25］将纳米级 TiN粉末和10﹪ C混合后置于流动的Ar气中，在1 430℃保温3 h，固态合成超细Ti(C，N)粉末，得到的粉末形状规则，团聚少，C/N比在0.6～1.5.发生的反应过程如下:在Ar气的保护下得到的粉末被氧化的可能性极小，所以粉末中的含氧量极低，有利于材料的烧结，降低烧结后的孔隙度，从而提高材料的性能.穆云超等［26］用自蔓延高温合成技术制备了Ti(C，N)材料，通过调节原料中Ti 粉的含量，可以得到多种Ti(C，N)粉末，制备出来的Ti(C，N)金属陶瓷材料具有较高的致密度和优良的力学性能.(2)物理方法制备的粉体在物理法粉体制备Ti(C，N)粉体的过程中，球料比、球磨时间以及球磨方式都会对材料的性能有很大影响.随着球料比增加，碾磨面积增大，球磨效率提高，硬质相粒度减小且分布更加均匀，制备的材料强度提高［27］;在一定范围内，随着球磨时间的增加，组织的硬质相尺寸得到细化，材料的强度提高;干磨与湿磨相比，湿磨所得的烧结体密度更高，性能更好［19］.3.2 成形工艺的影响Ti(C，N)粉体几乎没有可塑性，需要加入成形剂才能压制成型和烧结.成形工艺对性能的影响因素主要有压力、加压速度和加压方式.当压力不够时，坯体的强度低、密度低、烧结收缩率较大，较易变形开裂.在压制过程中，初始阶段应该均匀地施加压力，以便于坯体中的空气排出;当颗粒完全靠拢时，坯体的收缩率变小，需要保压，防止裂纹产生.采用双向压制成型有利于改善压坯的密度分布，提高压坯密度，减小烧结收缩率，提高Ti(C，N)基金属陶瓷产品的尺寸精度和力学性能.3.3 烧结工艺的影响Ti(C，N)基金属陶瓷材料的烧结方法主要有真空烧结、气氛烧结等.此外，一些新型的烧结方法(如自蔓延高温合成技术、微波烧结、脉冲烧结、放电等离子烧结、激光烧结等)［19］逐渐被应用到Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备研究中.在烧结过程中，成形剂是否完全脱除对烧结体的性能影响很大，成形剂脱除不全，会显著降低烧结体的性能.真空烧结是Ti(C，N)基金属陶瓷制备的传统烧结方式，一般是将原料成型后的样品在300～500℃温度下进行脱脂预烧结，再在1 440℃下真空烧结1 h，制成金属陶瓷产品［28］.在真空烧结条件下，颗粒表面的氧化物可在较低温度下被还原，改善液相对硬质相的湿润性，从而改善黏结相的分布均匀性，使烧结体致密，工艺容易控制［5］.但在真空烧结时，易发生脱氮反应，影响材料性能.采用气氛加压烧结的方法，可以加快烧结时的颗粒重排，快速实现致密化，消除孔隙.随着烧结压力的增加，孔隙度明显降低，硬质相之间的结合程度加大，但是导致冷却阶段时间延长，环形相变厚.在温度上升的过程中，材料的抗弯强度提高而硬度下降，经过快冷处理后，环形相变薄，黏结相的固溶强度增加，孔隙度下降，从而使材料的强度与硬度同时提高.在Ti(C，N)基金属陶瓷材料烧结时，还可以将真空烧结和加压烧结方式结合起来.冯燕等［29］采用加压一次性烧结方法制得试样 A，通过真空——加压两次烧结——真空烧结方法制得试样B.通过比较发现，B试样的抗弯强度比A的要高，抗冲击性能也要好得多.所以，真空——两次加压更适合于制备增韧Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料.4 结语Ti(C，N)基金属陶瓷用作高速高效切削刀具材料，提高了刀具的切削性能，节约了钨、钴等战略资源.然而，随着航空航天和高端装备中难加工材料和高精度零部件的大量应用，对Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的切削性能提出了更高要求，需要从材料的组分设计、反应过程机理、新工艺开发与控制等方面对Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料进行系统、深入研究.综合国内外的研究现状，新型Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的研究重点将体现在以下几个方面:(1)新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料的研究与开发.这主要包括两方面:开发新型硬质相、细晶粒硬质相和复合硬质相等;作为黏结相的金属或合金可以用资源丰富的金属代替资源短缺的金属(如用Fe代替Ni和Co).(2)制备超细晶粒或纳米级Ti(C，N)基金属陶瓷.超细晶粒或纳米级金属陶瓷比普通金属陶瓷具有更高的强度、韧性、硬度、耐磨性等综合性能.这也是今后的一个重要发展趋势.(3)提高Ti(C，N)基金属陶瓷的强韧性.通过研制新型添加剂，或对现有的添加剂进行改良，以及使用稀土元素来对Ti(C，N)基金属陶瓷材料进行增韧.(4)功能梯度Ti(C，N)基金属陶瓷的应用开发.梯度金属陶瓷的不同工作部位有不同的性能，是一种由于组织连续变化引起性能渐变的功能复合材料.(5)Ti(C，N)基金属陶瓷的回收再利用.社会倡导绿色环保、节能减排，所以Ti(C，N)基金属陶瓷的回收再利用已成为研究的一大热点，应采用现代技术和大规模生产模式来实现资源的充分利用和经济效益的统一.［参考文献］【相关文献】［1］铃木寿，林宏尔.TiC基ーッヌの进步と现状［J］.日本金属学会会报，1983，22(4):312-319. ［2］肖诗纲.刀具材料及其合理选择［M］.北京:机械工业出版社，1990.［3］Zhou S Q，Zhao W，Xiong W H.Microstructure and properties of the cermets based on Ti(C，N)［J］.Int J Refract Met Hard 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Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展
Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展Ti(C,N)基金属陶瓷是一种非常具有发展前景和应用价值的新型材料，其独特的性能和优势使得其在诸多领域均有广泛的应用前景。
其中，它的强韧化技术是关键之一，对于其在工业应用领域的推广具有非常重要的作用。
本文通过综合分析相关文献资料，介绍Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化技术的研究进展。
一、Ti(C,N)基金属陶瓷的概述Ti(C,N)基金属陶瓷是一种由钛、碳、氮等原子组成的高强度、高韧性、高温稳定性的新材料。
它具有金属的韧性和殊高的硬度和耐磨性，同时还具有陶瓷的高温、高硬度、高耐腐蚀性的优异性能，是一种典型的“金属+陶瓷”复合材料。
由于其优良的性能，Ti(C,N)基金属陶瓷在航空航天、汽车、船舶、刀具、模具等领域有着广泛的应用。
二、Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及其烧结机制Ti(C,N)基金属陶瓷的制备通常采用粉末冶金法，包括机械合金化和热处理等步骤。
在粉末冶金法中，首先将Ti、C、N 等原料粉末混合，并经过球磨等方法进行机械合金化，再经高温反应制备出Ti(C,N)相的颗粒。
最后，通过热压或等离子烧结等高温处理技术使得颗粒粘结，形成致密的Ti(C,N)基金属陶瓷材料。
Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结是其制备中的重点、难点之一。
近年来，烧结参数的优化和机理的研究对Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧化优化起到了重要作用。
烧结温度、压力、时间、脱氧剂等因素均会影响烧结过程中晶粒的生长和相界面的稳定性，进而影响材料的力学性能和热学性能。
三、Ti(C,N)基金属陶瓷的强韧化机制Ti(C,N)基金属陶瓷具有良好的高温和高强度等优越性能，但其低韧性是限制其广泛应用的主要困难。
因此，强韧化成为了目前Ti(C,N)基金属陶瓷研究的主要方向之一。
主要强韧化机制为韧性增散机制和图案转化机制：（1）韧性增散机制韧性增散机制是指通过向Ti(C,N)基金属陶瓷中添加少量的可溶性增散相（如Ni、Fe、Co 等）以调节晶界能量，减缓晶粒生长速率，从而增加Ti(C,N)基金属陶瓷的韧性。
Ti(C,N)基金属陶瓷的制备与性能研究
（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院， １ ． 江西 景德镇 ３３０ ；宁波 东联密封件有限公司， ３０ １ ． ２ 浙江 宁波 ３５９） １１１
摘 要 采用真空热压烧结工艺制备 了Ｔ （ Ｎ） ｉ Ｃ， 基金属陶瓷复合材料 。借助 于 Ｓ Ｍ 和 Ｘ ＿ Ｅ ＲＤ分别分析 了其显微结构和组分 ， 并
ｃ
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１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ Ｆ ｌ Ｓ ａｅ １ ２ Ｂ Ｃｕ ｓ ：． ０ ｋ Ｖ ｕ１ ｃ ｌ ６ｃ ｒ Ｏ０ ０ ｅ ２ ｏｒ
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ： Ｕ Ｓ ａｅ １ ２ ｔ Ｃｕ ｓ ｒ０ ０ ０ ｅ ｕ ｃ ｌ ２ ６ ｃ ｓ ｒｏ ： ． ０ ｋ Ｖ
测试 了其力学性能和相 对密度 。 实验结果表 明： 晶粒较细、 其 均匀， 具有 明显的黑芯 一灰壳结构 ， 气孔较 少， 密度较高。 致 断裂机理主要是沿晶断裂。 部分为混合型断裂（ 穿晶断裂和沿晶断裂） 。金属相存在着明显的撕裂棱。其维氏硬度 ２． ＧＰ ， ２４ ａ ７
断裂韧性 １ ． ａｍ１， 弯强度 １ ９ ． ＭＰ ， ０１ ＭＰ ・ ／ 抗 ２ １２８ ａ相对 密度达到 了 ９ ． ％。 ３ ９１ ２ 关键 词 Ｔ （ Ｎ） ｉ Ｃ， 基金属 陶瓷； 显微 结构 ； 学性能 ； 力 复合材料
中 国 陶瓷 工 业 ２１ ０ １年 ６月 第 １ 第 ３期 ８卷
ＣＨＩ ＣＥＲＡＭｌ Ｉ ＮＡ Ｃ ＮＤＵ ＳＴＲＹ Ｊ ｎ ２ １ Ｖｏ． ８。 ． ｕ． ０ １ １１ Ｎｏ ３
文章编号 ：０ ６ ２ ７ （０ ）３ ００ － ４ １０— ８４ ２ １ ０ — ０ １ ０ １
镀钴碳纳米管／Ti(C,N)金属陶瓷的制备及抗热震性能
在 钢 和铸 铁 的 半 精 加工 和 精 加 工 方 面 逐 步 取 代 了 ＷＣ Ｃ 硬 质合 金刀 具Ｉ ｉ ，） 金 属 陶瓷 刀具 在 —０ ” （ Ｎ基 。Ｔ Ｃ 高切削 速度 、 走 刀量 的断 续切 削条 件下 ， 低 周期性 的
１实 验 内容
１ 试样 的制 备 ． １ １ ． Ｎ ｓ 学镀 Ｃ ．１ １ Ｃ Ｔ 化 ０工艺
第２ ７卷 第 ３期
ｖ ∞ ｏ ３
硬 质 合 金
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２１ ０ ０年 ６月
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VC含量对TiC,N基金属陶瓷力学性能的影响
V C含量对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响徐立强1,黄传真2,王随莲3,侯志刚1,刘含莲2(1.烟台大学机电汽车工程学院,山东烟台264005;2.山东大学机械工程学院,山东济南250061;3.山东省质量技术监督局,山东济南250014)摘 要:采用热压烧结法制备了不同VC含量的Ti(C0.7N0.3)2(Ni2C o)2Cr2C32VC系Ti(C,N)基金属陶瓷,通过扫描电镜观察了组织结构与断口形貌,用三点弯曲法测试抗弯强度,用压痕法测得试样硬度和断裂韧度;分析了VC含量对材料力学性能和断口形貌的影响。
结果表明:材料的断裂均以沿晶断裂为主,随着VC含量的增加,材料的抗弯强度呈下降趋势,而硬度和断裂韧性呈上升趋势;VC含量为16%时,试样的综合性能最好。
关键词:Ti(C,N)基金属陶瓷;力学性能;显微结构;V C中图分类号:TQ174 文献标识码:A 文章编号:100023738(2007)1120044203Eff ect of Content of V C on Mechan ical Pr oper ties of Ti(C,N)B a sed Cer metsXU L i2qiang1,HU ANG Chuan2zhen2,WANG Sui2l ian3,H OU Zhi2gang1,L IU H an2l ian2(1.Y ant ai Universit y,Y antai264005,China;2.Sha ndong U niver sit y,Ji nna n250061,China;3.Shandong Provi ncial Burea u of Qualit y and Technical Supe rvi sion,Ji nan250014,Chi na)Abst ract:Ti(C0.7N0.3)2(Ni2Co)2Cr2C32VC syste m cermets wit h differ ent conte nt of VC were f abricated by hot p ressure technology.The microstr ucture and f racture mo rp holo gy were investigated by scanning electron mic ro scope,a nd t he mec hanical properties suc h as flexural st rength,Vicker’s ha rdne ss a nd fr ac ture toughne ss were measured.The mecha nical propertie s and SEM mic rophotography of f racture surface of the Ti(C,N)based cer met wit h diff ere nt VC conte nt were discussed.It is shown t hat the f ract ure modes of the f our f abricated mater ials are mainly inte rgranula r.It is also demonstra te d that the f le xure strengt h of the mate rials is decrea sed wit h the incr ease of VC co ntent,t he hardne ss and fr ac ture to ughness are incr ea sed with the increa se of VC content.The integr ated prope rtie s are t he best when t he co ntent of VC is16wt%.K ey w or ds:Ti(C,N)base d cer met;mec hanical prope rtie s;microst ruct ure;vanadium car bide0 引 言V C具有高熔点(2645～2815℃)以及高硬度(2600HV)的特性,在金属陶瓷中不易熔解,其主要作用是细化晶粒[1,2]。
添加剂对Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能影响
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2020.04.054添加剂对Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能影响①陈军强 孙青竹 万桂林 吕雯 杨芮(攀枝花学院 四川攀枝花 617000)摘 要：Ti(C,N)基金属陶瓷作为一种新型的刀具材料，具有密度低、室温硬度和高温硬度高、化学稳定性和抗氧化性好、耐磨性好、更高的性价比等优点，性能优于传统刀具材料WC基硬质合金。
通过加入不同添加剂可以改变Ti(C,N)基金属陶瓷硬质相与包覆相之间的润湿性能，改善体系的烧结性、综合力学性能和机械的切削性能。
该文介绍了不同添加剂对Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能影响。
关键词：添加剂 Ti(C,N)基金属陶瓷 力学性能中图分类号：TG14 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2020)02(a)-0054-02Abstract:Compared with traditional tool materials WC based cemented carbide,as a new type of cutting tool material, Ti(C,N)-based cermet has many advantages, such as low density, high room temperature hardness and high temperature hardness, good chemical stability and oxidation resistance, good wear resistance and higher cost performance. The wetting property between the hard phase of and the coating phase the Ti(C,N)-based cermet can be changed by adding different additives, and the sinterability, comprehensive mechanical properties and mechanical cutting properties of the system are improved. The mechanical properties of Ti(C, N)-based ceramics with different additives are introduced in this paper.Key Words: Additive; Ti(C,N)-based cermets; Mechanical property1 钛基金属陶瓷概述用钛基陶瓷制备的刀具具有优良的耐磨性、耐热性、红硬性，在高速切削环境下对新月形孔具有良好的耐磨性[1]，与传统的基于WC的硬质合金刀具相比性价比更高。
用Weibull分布函数选取陶瓷金属化的配方
大部 分 脆 性 材料 的强 度 均 服从 ｗｅｂ ｌ 分 布 ， ｜ｕ１ 其 累积失 效 函数 即强 度分 布 函数 为 ：
Ｆ（ 一１ ｅ一（ ） ～ ） ｍ （） １
规定 ， 要求标 准 瓷封 件 的平 均封 接 抗 拉 强度 为 ≥
９ ａ 三 点 法 的 平 均 封 接 抗 拉 强 度 为 ≥ １ ０ ０ＭＰ ， ２
ｓ ａ ｉ ｇ ｓ ｒ ｎｇ ｈ ｅ ｌｎ ｔ ｅ ｔ
摘 要 ： 绍 如 何 结 合 运 用 Ｗ ｅ ｕ１ 布 函数 来 选 取 陶瓷 金 属 化 配 方 的方 法 ， 本 文 的 试 验 结 果 可 知 ， 陶 瓷 金 属 化 配 方 的 介 ｉ ｌ分 ｂ 从 对 选 取 应 该 结 合 平 均 封 接 强 度 和 Ｗｅｂ ｌ模 数 两 个 指 标 进 行 选 取 。 ｉｕｌ 关 键 词 ： ｅ ｕ１ 布 ； 属 化 配 方 ； 拉 件 ； Ｗ ｉ ｌ分 ｂ 金 抗 管壳 ； 均 封 接 强 度 平 中 图分 类 号 ： Ｎ ０ Ｔ １５ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ ２ ９ ５ ２ １ ２ ０５ —０ ｌＯ —８ ３ （０ １ ０ — Ｏ ８ ３ Ｊ
Ａ ｓｒ ｃ ： ｉ ｐ ｐ ｒ ａｎ ｙ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ｈ ｗ ｏ ｕ ｅ Ｗ ｅｂ ｌ ｄ ｓ ｒｂ ｔｏ ｕ ｃ ｉ ｎ ｔ ｅ ｉ ｅ ｔ ｅ ｆ ｒ ｕ ａ ｏ ｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｓ ａ ｅ ｉ ｌ ｒ ｄ ｃ ｏ ｔ ｓ ｉ ｕ ｌ ｉｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｆ ｎ ｔｏ ｏ ｄ ｅ ｄ ｈ ｏ ｍ ｌ ｆ ｍ ｎ
特征 寿命 ， 衡 量 寿 命 水平 的单 位 尺度 ； 。 位 置 是 ｚ为 参数 ， 又称保证 寿命 ， 即在 ｚ 以前 不会 失 效 ；＂ 。 ３ 为材 ２
Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能和高温抗氧化性能的研究
氧 化 机制 。
关键词
Ｔ（，） 金 属 陶 瓷 力 学 性 能 氧 化行 为 抗 氧 化性 ｉ Ｎ基 Ｃ
自 １７ ９ １年奥 地 利 Ｋｅｅｒ 【 先 报 道 了添 ｉ ｅｅ等 ｌ ｆ 率
加 ＴＮ对 ＴＣ基 金 属 陶瓷 的了深入 的研究 ； 有 关 于 Ｔ（， ） 金属 陶 瓷 但 ｉ Ｎ基 Ｃ
赵 能伟 ’ 郑 勇 ’ 刘林 艳 承 新 ’ 严永 林 ’
（． １南京航 空航 天 大学材料 科 学与技 术 学院， 苏南京 ２ ０ １ ； 江 １０ ６ ２武汉 理工 大 学材料科 学与工程 学 院， 北武 汉 ４ １０ ） ． 湖 ７０３
摘 要 本 文 研 究 了添 加 不 同 比例 的 Ｔ Ｃ Ｎ Ｃ对 Ｔ（，） ｉ ｏ系 金 属 陶 瓷 的 力 学 性 ａ、ｂ ｉ Ｎ 一ＮＭ Ｃ
加入 量见 表 １ 粉末 原 料采用 湿混 ， 。 经行 星式球 磨机 球磨 ２ ，制备 好 的粉末 运用 Ｄ 一 ２ 片机 压制 ４ｈ Ｙ １０压
成形 ， 制力 为 ２ ０ＭＰ ， 后 ， 样在 Ｚ 一 ５ ２ 压 ８ ａ 最 试 Ｔ １ — ０真
空烧 结 炉 中烧 结 ， 结 温度 分 别 为 １ １ ＝ １ ３ ＝ 烧 ４ ０ｏ 、４ ０ｏ 【 【 和 １ ５ ＝ 保 温 时 间 均 为 ８ ｎ 烧结 过 程 中真 空 ４ ０ｏ ， 【 Ｏｍｉ ，
VC对微米级Ti_CN_基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响
*四川省科技支撑计划资助项目(项目编号:07G G002-006)收稿日期:2008年3月VC 对微米级Ti(CN)基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响*望 军1 吕 凌2 孙晓燕2 刘 颖1 任 强2 叶金文1 涂铭旌11四川大学2成都工具研究所摘 要:VC 对于制备微米级的Ti(C N)基金属陶瓷,能够起到控制T i(CN)晶粒长大的作用,并且能够使烧结体中晶粒粒度分布变得均匀。
在液相烧结过程中,由于瓦尔德熟化效应使Ti(CN)晶粒长大,Ti(CN)晶粒的长大又分为连续长大和不连续长大。
关于VC 的抑制机理,目前还没有明确的结论,但有三种比较有代表性的说法:吸附机制、溶解机制和偏析机制。
随着VC 添加量的增加,T i(CN)基金属陶瓷的抗弯强度呈现先升后降的趋势;VC 的加入使材料的硬度减小。
关键词:T i(CN)基金属陶瓷, VC, 晶粒抑制剂, 微观结构, 力学性能Effect of VC on Microstructure and Mechanical Propertiesof Micrometer Grade Ti(CN)-based C ermetsWang Jun Lv Ling Sun Xiaoyan et alAbstract:VC can also control the grains growth of micrometer grade Ti(CN)-based cermets.And the grains sizes become average because of the addition of VC.Ti(CN)grains grows by Ostwald ripening at the s tage of liquid sintering.There are two types of growing way of the grains.One i s continuous growth and the other is discontinuous growth.About the i nhibiting mecha -nism of VC,there are three main opinions:adsorption mechanis m,dissolution mechanism and segregation mechani sm.The trans -verse rupture strength (TRS)of cermets increased first and then decreased with increasing the con ten t of VC.T he addi tion of VC resulted in the hardness of cermets decreasing.Keywords:Ti(CN)-based cermets, VC, grain growth inhibitor, microstructure, mechanical properties1 引言Ti(C N)基金属陶瓷刀具材料具有较好的耐磨性和高温性能[1],理想的抗月牙洼磨损能力,以及优良的抗氧化能力和化学稳定性[2],再加上地壳中Ti 资源储量丰富,Ti(C N)已成为WC-Co 基硬质合金的主要代替品之一[3,4],并因而成为研究的热点。
碳纳米管预处理及其对Ti（C，N）基金属陶瓷性能的影响
碳纳米管预处理及其对Ti（C，N）基金属陶瓷性能的影响
王赛玉;熊惟皓;蔺绍江
【期刊名称】《机械工程材料》
【年(卷),期】2012(036)010
【摘要】利用化学沉积方法对表面改性后的碳纳米管进行进行镍包覆，在Ti（C，N）基金属陶瓷中添加不同含量的碳纳米管作为增强相，采用粉末冶金法制备了碳纳米管增强的Ti（C，N）基金属陶瓷材料；研究了碳纳米管的表面改性、加入量及烧结温度对金属陶瓷性能的影响。
结果表明：当pH值为4．5时得到的镍镀层比pH值为9时得到的镍镀层连续光滑；当碳纳米管含量由0增加到0．5%（质
量分数）时，Ti（C，N）基金属陶瓷的抗弯强度随碳纳米管含量的增加而升高，1420℃烧结时，其抗弯强度最大。
【总页数】4页(P66-69)
【作者】王赛玉;熊惟皓;蔺绍江
【作者单位】湖北理工学院,黄石435003;华中科技大学材料成形与模具技术国家
重点实验室,武汉430074;湖北理工学院,黄石435003
【正文语种】中文
【中图分类】TB331
【相关文献】
1.镀镍碳纳米管对Ti(C、N)-Co金属陶瓷材料力学性能的影响分析 [J], 艾江
2.碳纳米管添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能的影响 [J], 吕学鹏;郑勇;
吴鹏
3.碳纳米管含量对Ti(C,N)基金属陶瓷组织性能的影响 [J], 王赛玉
4.碳纳米管及稀土元素钇(Y)对高Ni含量Ti(C,N)基金属陶瓷组织与性能的影响 [J], 王赛玉;熊惟皓
5.碳纳米管对低Ni含量Ti(C,N)基金属陶瓷组织与性能的影响 [J], 王赛玉;熊惟皓;蔺绍江
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压制压力对纳米Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响研究
压制压力对纳米Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影
响研究
贺逢源;张文科;熊萧;陈鑫辉;熊健松;董定乾;李辉
【期刊名称】《稀有金属与硬质合金》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】采用不同的压制压力制备纳米Ti(C,N)基金属陶瓷生坯,研究低压烧结后金属陶瓷的微观组织、收缩性和力学性能。
结果表明:当压制压力过低时,粉末排列不紧密,金属陶瓷组织不均匀;当压制压力过高时,金属陶瓷组织发生分层,孔隙度和缺陷增加。
当压制压力为180 MPa时,得到的纳米Ti(C,N)基金属陶瓷最为致密,其相对密度为97.06%,收缩系数为1.23,孔隙率最低,为A02B00C00;同时,该金属陶瓷具有最优异的综合力学性能,其中维氏硬度为1680 HV_(30),抗弯强度为1650 MPa,断裂韧性为8.8 MPa·m^(1/2)。
【总页数】7页(P51-56)
【作者】贺逢源;张文科;熊萧;陈鑫辉;熊健松;董定乾;李辉
【作者单位】四川轻化工大学机械工程学院;自贡市希力数控工具有限公司;中南大学粉末冶金国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG148
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一种确定陶瓷材料Weibull模数的简便方法
一种确定陶瓷材料Weibull模数的简便方法
龚江宏;关振铎
【期刊名称】《硅酸盐学报》
【年(卷),期】1998(26)1
【摘要】采用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ数值模拟方法对陶瓷材料Ｗｅｉｂｕｌ模数
点估计值ｍ与断裂强度测试结果的变异系数ｃｖ之间的对应关系作出了定量的描述，进而提出了一种由ｃｖ直接确定陶瓷材料Ｗｅｉｂｕｌ模数的简便方法．分析表明：由这一新方法所确定的Ｗｅｉｂｕｌ模数点估计值ｍ与由常规点估计方法获得的ｍ之间在统计学意义上没有显著差异．
【总页数】6页(P81-86)
【关键词】Weibull模数;模拟;断裂;强度;陶瓷材料
【作者】龚江宏;关振铎
【作者单位】天津大学;清华大学
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.15
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Ti(C,N)基金属陶瓷抗弯强度的Weibull分析王晓灵;刘咏【摘要】作为金属切削工具材料,Ti(C,N)基金属陶瓷强韧性的可靠性是制约其推广应用的主要因素.由于Ti(C,N)基金属陶瓷比WC基硬质合金脆性更大,其强韧性对内外缺陷更敏感,抗弯强度分散性更大,使用时,极易出现突然断裂,失效可预测性低.本文采用Weibull统计强度理论以及双样本t检验的方法对工业化批量生产的Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度(TRS)的可靠性及其主要影响因素进行分析.结果显示,物料批次、烧结炉次(烧结气氛)对抗弯强度的分散性有显著影响.同物料批次、同炉次烧结的Ti(C,N)基金属陶瓷样本的抗弯强度具有较大的Weibull模数,最高可达m=41.64,而多物料批次、多炉次烧结样本的抗弯强度的分散性较大,Weibull模数约为10~15,特征强度约为(2350±150)MPa.抗弯强度的Weibull分布还受到样品尺寸的影响,小尺寸样品的特征强度更大,但Weibull模数更小.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2017(022)004【总页数】10页(P546-555)【关键词】Ti(C,N);金属陶瓷;抗弯强度;可靠性;Weibull分析;假设检验【作者】王晓灵;刘咏【作者单位】中南大学粉末冶金研究院,长沙 410083;自贡硬质合金有限责任公司成都分公司,成都 610100;中南大学粉末冶金研究院,长沙 410083【正文语种】中文【中图分类】TF125.31上世纪70年代初，奥地利KIEFFER等[1]发现，在TiC-Ni-Mo(Mo2C)金属陶瓷中添加TiN，可以显著提高除抗热变形能力外的其它各项性能，由此发明了Ti(C,N)基金属陶瓷[2]。
作为金属切削工具材料，与WC-Co硬质合金相比，Ti(C,N)基金属陶瓷具有相对更高的硬度，更好的高温性能和化学稳定性，在某些应用场合，如钢件的高速精加工等，具有极大的优势[3−7]。
但其强韧性以及使用可靠性偏低，容易发生突然断裂，失效可预测性不高的缺点制约了Ti(C,N)金属陶瓷在更大众应用领域替代WC硬质合金。
断裂强度是反映材料服役性能的重要代用指标，是材料在外加载荷作用下发生破坏或断裂时的应力值。
因此，材料强度的可靠性在很大程度上反映了材料的使用可靠性。
固体材料，尤其是硬脆性材料的断裂强度具有很大的分散性，其可靠性通常采用统计断裂力学方法分析[8−9]。
应用最广泛的统计分析方法是瑞典工程师Weibull在1939年提出的统计强度理论，他基于“最弱链节(the weakest link of a chain)”原理及大量实验数据构造了一个经验概率分布[10−11]。
Weibull统计强度理论的广泛适用性在长期的实践中得到了证实[12−13]，现已普遍应用于各种均质固体材料的强度可靠性评价[14]，对于WC硬质合金及Ti(C,N)金属陶瓷等工具材料也同样适用。
众所周知，WC基硬质合金与Ti(C,N)基金属陶瓷的断裂强度一般采用三点弯曲强度即抗弯强度(transverse rupture strength, TRS)来表征。
许崇海等[15−17]研究了Al2O3-TiC 金属陶瓷抗弯强度和断裂韧性(KIC)的统计特性及其对刀具可靠性的影响，认为Weibull模数可作为刀具使用可靠性的有效评价指标。
易勇等[18]研究了WC的平均晶粒度及晶粒度均匀性对WC-Co硬质合金抗弯强度分散性的影响，结果显示WC平均晶粒度越大，晶粒度越均匀，抗弯强度的Weibull模数越大(m=12～17)。
何林等[19]分析了粉末冶金热压工艺制备的Ti(C0.7,N0.3)-Mo2C-(Ni,Co)-Cr3C2金属陶瓷的抗弯强度，断裂韧性(KIC)和维氏硬度(HV10)的分散性，结果显示三个力学性能指标均服从Weibull分布，其Weibull模数分别达到16.05，8.38和27.92。
KLAASEN等[20]对真空烧结和低压烧结(Sintering-HIP)工艺制备的TiC-(Ni,Fe) 金属陶瓷抗弯强度的Weibull分析结果显示低压烧结试样的Weibull模数(m=13.54)大于真空烧结试样(m=11.37)，且均大于粘结相体积含量相当的对比硬质合金WC-15%Co(质量分数)的Weibull模数(m=8.99)。
刘玥[21]的研究显示，Ti(C,N)-20%TiB2-15%WC-5%Ni-5%Mo和Ti(C,N)-30%TiB2-15%WC-5%Ni-5%Mo(均为质量分数)金属陶瓷的高温抗弯强度(800 ℃)均符合Weibull分布，且具有很高的可靠度，其Weibull模数可分别达到18.7和23.8。
从前人报道的研究可知，工具材料的抗弯强度分散性的影响因素主要有试验条件和测试方法[22−23]，材料成分[24]，组织结构及缺陷[18,25]，制备过程及工艺方法[20,26]，后处理或加工方法[27−28]等。
但现有的公开文献都是基于实验室小样的研究结果，其工艺条件和影响因素与工业化批量生产有很大的差异。
因此，为了考察在当前工业化生产技术条件下，Ti(C,N)基金属陶瓷的断裂强度的可靠性水平，为生产实践和应用实践提供指导和参考，本文对自贡硬质合金有限责任公司工业化批量生产的Ti(C,N)基金属陶瓷棒材制品的抗弯强度进行了抽样检测和Weibull统计分析。
对自贡硬质合金有限责任公司采用粉末冶金挤压成形，低压烧结工艺生产的ZYT15牌号Ti(C,N)-15% Ni/Co-9%Mo-17%MeC (质量分数，Me=W，Ta，Nb，Zr和V等)金属陶瓷[29]棒材制品进行抽样检测。
实验进行两次：第一次实验对5个物料批次(由两台烧结炉分5个炉次烧结)制品进行随机抽样，每批次抽取5件样品，毛坯尺寸约为φ3.5mm，总样本容量为25。
作为对比，对同样采用挤压工艺大批生产的普通YG6X牌号WC-6% Co(质量分数)硬质合金，按相同方案进行抽样检测和分析。
第二次实验从3个物料批次(2台烧结炉分3个炉次烧结)的制品中随机抽取了毛坯尺寸约为φ3.5mm和φ6.5mm的两个规格样品共10个子样本(表1，样本标记01A3表示01批次物料A炉次烧结的，试样尺寸为φ3.2mm的样本，其它类同)，样品数量均为24，然后将其按尺寸合并成两个总样本d3.2和d6.2。
两次实验随机抽取的样品毛坯采用无心磨按ISO 3327 C型试样标准分别加工成φ3.2mm×25mm和φ6.2mm×25mm规格的试样。
本文实验所用原料均为市售商用粉末，其中实验二中01和02批次物料采用相同的原料粉末配制。
生产过程按企业工艺标准进行。
本文涉及的两台低压烧结炉分别为自贡亚西泰克公司(Asiatech)制造的ZYS50/50/180型和德国ALD公司制造的VKP 60/40/150型低压烧结炉，其中实验二中A、C炉次为亚西泰克炉，B炉次为ALD炉。
抽样前，每个炉次每个规格制品均经取样检测符合质量控制标准，主要性能指标如表2所列，各项性能检测均按相关国标进行制样并测试，测试结果取平均值及最大标准差。
抗弯强度按照ISO 3327:2009(E)标准，采用C型试样进行测试，测试结果的相对扩展不确定度不超过5%，参见文献[30]。
已有的研究[15−17,19−21,24,31]表明，Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度服从Weibull分布。
因此，本文采用两参数Weibull分布对抗弯强度测试结果进行分析，其数学表达式如下：若取V=1，则可简化为：式中：F(σ)为材料的累积断裂概率；σ0为尺度参数(Scale parameter)，也叫特征强度(Characteristic strength)；m为形状参数(Shape parameter)，通常叫做Weibull模数(Weibull modulus)；V为试样承受应力的体积(或截面积)。
两参数Weibull分布包含的两个统计变量可用来描述一个样本的断裂强度分布状态。
一是Weibull模数m，表征材料强度值的分散性，与标准偏差类似，是衡量材料强度可靠性的重要参数，其值越高，表明强度分布的离散性越小，材料强度的可靠性越高。
m与材料内部缺陷及其尺寸分布有关，m值越小，则存在引发断裂的大尺寸缺陷的概率越大，意味着强度一致性越差。
二是尺度参数σ0，即特征强度，与整个样本试样的强度值相关，即63.2%的试样强度小于或等于此值(或者说，在此应力值下63.2%的试样将发生断裂)。
特征强度用于描述样本试样强度的分布情况，是整批试样强度的统计值，类似于算术平均值[32]。
众所周知，统计分析的目的是由样本推断总体，样本容量越大，推断越准确。
但样本量大，成本也高。
因此，确定一个既经济又具有可接受的推断精度的样本容量是统计分析工作的重要内容。
Khalili和Kromp认为最少需要30个试样[33]。
金宗哲等[34]计算提出了Weibull 模量估计的最优试样数表，采用容量为12和26的样本进行Weibull模数估计的相对误差分别为0.5%和0.3%，置信度均可达到90%。
而Cina Mehrvar[32]等的研究显示5个试样就足以得到满意的推断精度。
鉴于此，确定本文的样本容量最小为24。
按标准对试样进行测试，逐一记录测试结果，并计算抗弯强度值，结果列于表3～5。
对上式(2)做两次对数变换可得：令：x=ln(σ)，b=mln(σ0)，则上式(3)可变换为：由此可见，将强度的对数与可靠度(R(σ)=1−F(σ))的倒数进行两次对数变换后分别作为直角坐标系的x和y轴，可拟合成一条直线，该直线的斜率即为Weibull模数m的估计。
本文采用概率点法(Probability plotting)结合中位秩(Median rank)线性回归(最小二乘法(RRY))进行参数估计，中位秩按Benard公式(5)近似估算[14]。
式中：MR为中位秩；i为秩序号；n为样本容量。
本文研究的总体是“工业化批量生产的Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度”。
实验一以“随机抽取的5个物料批次25件样品的抗弯强度”为样本，估计总体的概率分布。
如图1所示，工业化批量生产的ZYT15牌号Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度Weibull模量m为10.344，略小于YG6X牌号硬质合金(m=10.822)；其特征强度σ0=2 356 MPa，仅为YG6X硬质合金(σ0=3663 MPa)的64%。
由此可得到工业化批量生产的ZYT15牌号Ti(C,N)基金属陶瓷的合金抗弯强度的Weibull分布函数为：可靠度函数为：由上式(6)和(7)可计算，在1 500 MPa应力作用下，ZYT15牌号金属陶瓷的断裂概率约为1%，即可靠度约为99%；同样，要使可靠度达到95%，其所受的外加应力应不超过1 768 MPa。