三維三相陶瓷刀具材料微觀組織的模擬研究.pdf

1、陶瓷刀具材料具有高的硬度和耐磨性，是一類極具發(fā)展前途的刀具材料，但是由于斷裂韌度較低，限制了其廣泛應(yīng)用。納米復(fù)合陶瓷刀具材料和晶須增韌陶瓷刀具材料的出現(xiàn)有望解決陶瓷刀具材料斷裂韌度低的問題。材料的力學(xué)性能主要取決于其微觀組織，因此研究納米復(fù)合陶瓷刀具材料和晶須增韌陶瓷刀具材料微觀組織演變的模擬，對(duì)設(shè)計(jì)和制備新型陶瓷刀具材料具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文建立了耦合燒結(jié)工藝參數(shù)的三維三相納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織演

2、變的蒙特卡洛波茨模擬模型及其改進(jìn)算法，該算法具有選擇性選取基體晶格點(diǎn)陣進(jìn)行演變的功能，提高了模擬效率?；谖④浌鹃_發(fā)的VisualC++6.0平臺(tái)，利用C++編程語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了三維模擬軟件3DMS。
　　 模擬研究了第二相和第三相納米顆粒半徑和含量對(duì)納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織演變的影響。結(jié)果表明，第二和第三相納米顆粒能夠形成晶內(nèi)/晶間型微觀組織，納米顆粒對(duì)晶粒生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的抑制作用，可細(xì)化基體晶粒。當(dāng)添加相含量相同時(shí)，三相

3、材料的晶粒半徑小于兩相材料，較小納米顆粒對(duì)晶粒的釘扎作用較強(qiáng)，而較大納米顆粒的釘扎作用較弱;當(dāng)添加相顆粒半徑相同時(shí)，納米顆粒對(duì)基體相的釘扎作用隨著添加相含量的增加而增強(qiáng)。半徑較小的納米顆粒較多的分布在晶粒內(nèi)部，半徑較大的納米顆粒較多的分布在晶界上。
　　 模擬研究了晶界能比值對(duì)微觀組織演變的影響。結(jié)果表明，當(dāng)界面能高于晶界能時(shí)，納米顆粒主要位于基體顆粒內(nèi)部，納米復(fù)合陶瓷刀具材料的微觀組織以晶內(nèi)/晶間型為主;當(dāng)界面能低于晶界能時(shí)，

4、納米顆粒主要位于晶界上，納米復(fù)合陶瓷刀具材料的微觀組織以晶間型為主?；w相、第二相和第三相的晶界能比值相差越大，第二相和第三相對(duì)基體相晶粒生長(zhǎng)的抑制作用越強(qiáng)。
　　 模擬研究了納米顆粒初始分布位置對(duì)三維三相納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織演變的影響。結(jié)果表明，與納米顆粒隨機(jī)分布相比，當(dāng)納米顆粒分布在晶界附近時(shí)，材料的平均晶粒半徑較小，進(jìn)入基體晶粒內(nèi)部的納米顆粒較少，易形成晶間型微觀組織。
　　 模擬研究了燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和

5、保溫時(shí)間對(duì)材料燒結(jié)過程中微觀組織演變結(jié)果的影響。燒結(jié)溫度對(duì)晶粒生長(zhǎng)速率有顯著影響，平均晶粒半徑隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。燒結(jié)壓力對(duì)晶粒生長(zhǎng)速率和平均晶粒半徑幾乎沒有影響。隨著模擬時(shí)間的增長(zhǎng)，平均晶粒半徑先增大爾后幾乎不變。
　　 建立了含有氣孔和雜質(zhì)的三維三相納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織演變的蒙特卡洛波茨模型，研究了氣孔含量對(duì)微觀組織演變的影響。結(jié)果表明，所建模型可以較好的模擬含有氣孔的微觀組織演變過程;氣孔對(duì)晶粒長(zhǎng)大具有抑制作

6、用，當(dāng)氣孔含量增加時(shí)，需要適當(dāng)延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間才能更好地排出氣孔。
　　 建立了無缺陷三維三相納米復(fù)合陶瓷刀具材料、晶須增韌陶瓷刀具材料、晶須和顆粒協(xié)同增韌陶瓷刀具材料微觀組織演變的相場(chǎng)法模擬模型，構(gòu)建了三相陶瓷刀具材料的自由能密度函數(shù)，開發(fā)了相場(chǎng)法模擬軟件3DPS，較好地模擬研究了含晶須陶瓷刀具材料的微觀組織演變過程。結(jié)果表明，相場(chǎng)法的模擬結(jié)果與蒙特卡洛法的模擬結(jié)果一致。對(duì)于晶須增韌陶瓷刀具材料，其基體相的平均晶粒半徑隨晶須半徑的

7、增加而增大。對(duì)于晶須和顆粒協(xié)同增韌陶瓷刀具材料，半徑較大的晶須多位于三叉晶界處，半徑較小的晶須多分布于晶粒內(nèi)部;當(dāng)晶須含量和長(zhǎng)度一定時(shí)，半徑較小的晶須對(duì)晶粒生長(zhǎng)的阻礙作用較大，晶粒得到細(xì)化;當(dāng)晶須含量和半徑一定時(shí)，較長(zhǎng)晶須增韌陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布不均勻，存在晶粒異常長(zhǎng)大情況。
　　 建立了基于相場(chǎng)法模擬微觀組織的三維三相各向異性復(fù)合陶瓷刀具材料微觀有效彈性常數(shù)的求解模型，開發(fā)了微觀有效彈性常數(shù)的計(jì)算程序EEC，計(jì)算了定向分