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，限制了其廣泛應用。納米復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。材料的力學性能主要取決于其微觀組織，因此研究納米復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，對設計和制備新型陶瓷刀具材料具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　 本文建立了耦合燒結工藝參數(shù)的三維三相納米復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算法，該算法具有選擇性選取基體晶格點陣進行演變的功能，提高了模擬效率。基于微軟公司開發(fā)的VisualC++6.0平臺，利用C++編程語言，設計開發(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納米復合陶瓷刀具材料微觀組織演變的影響。結果表明，第二和第三相納米顆粒能夠形成晶內(nèi)/晶間型微觀組織，納米顆粒對晶粒生長具有較強的抑制作用，可細化基體晶粒。當添加相含量相同時，三相

3、材料的晶粒半徑小于兩相材料，較小納米顆粒對晶粒的釘扎作用較強，而較大納米顆粒的釘扎作用較弱;當添加相顆粒半徑相同時，納米顆粒對基體相的釘扎作用隨著添加相含量的增加而增強。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微觀組織演變的影響。結果表明，當界面能高于晶界能時，納米顆粒主要位于基體顆粒內(nèi)部，納米復合陶瓷刀具材料的微觀組織以晶內(nèi)/晶間型為主;當界面能低于晶界能時，

4、納米顆粒主要位于晶界上，納米復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，第二相和第三相對基體相晶粒生長的抑制作用越強。
　　 模擬研究了納米顆粒初始分布位置對三維三相納米復合陶瓷刀具材料微觀組織演變的影響。結果表明，與納米顆粒隨機分布相比，當納米顆粒分布在晶界附近時，材料的平均晶粒半徑較小，進入基體晶粒內(nèi)部的納米顆粒較少，易形成晶間型微觀組織。
　　 模擬研究了燒結溫度、燒結壓力和

5、保溫時間對材料燒結過程中微觀組織演變結果的影響。燒結溫度對晶粒生長速率有顯著影響，平均晶粒半徑隨著燒結溫度的升高而增大。燒結壓力對晶粒生長速率和平均晶粒半徑幾乎沒有影響。隨著模擬時間的增長，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，研究了氣孔含量對微觀組織演變的影響。結果表明，所建模型可以較好的模擬含有氣孔的微觀組織演變過程;氣孔對晶粒長大具有抑制作

6、用，當氣孔含量增加時，需要適當延長燒結時間才能更好地排出氣孔。
　　 建立了無缺陷三維三相納米復合陶瓷刀具材料、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法模擬模型，構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。結果表明，相場法的模擬結果與蒙特卡洛法的模擬結果一致。對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;當晶須含量和長度一定時，半徑較小的晶須對晶粒生長的阻礙作用較大，晶粒得到細化;當晶須含量和半徑一定時，較長晶須增韌陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布不均勻，存在晶粒異常長大情況。
　　 建立了基于相場法模擬微觀組織的三維三相各向異性復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)的計算程序EEC，計算了定向分