Al-,2-O-,3-基納米陶瓷刀具材料納觀模擬研究.pdf

1、陶瓷刀具由于其較高的硬度和耐磨性、較好的高溫力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛地應(yīng)用于高速切削加工領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)陶瓷刀具的研制方法效率低，研發(fā)成本高。利用計算機模擬仿真技術(shù)，對陶瓷刀具的燒結(jié)制備過程進行模擬，對刀具的性能進行預(yù)測，優(yōu)化燒結(jié)工藝，節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。 本文總結(jié)了計算機材料模擬仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及模擬方法，對納觀尺度范圍內(nèi)模擬方法的基本原理進行了介紹。以Al2O3基納米陶瓷刀具的燒結(jié)制備過程為研究對象，利用計算機

2、模擬仿真技術(shù)，在MaterialStudio材料模擬計算軟件平臺上，基于量子力學(xué)和分子動力學(xué)模擬計算理論，在納觀尺度下（1至100納米）進行了模擬計算，并對模擬結(jié)果進行了探討。 建立了單元系A(chǔ)l2O3陶瓷材料的三維模擬計算模型，并分別在300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K等不同溫度下進行了分子動力學(xué)模擬計算。結(jié)果表明，隨溫度的上升，體系中的原子自擴散系數(shù)表現(xiàn)出先上升后下降的特征，其中O原子的活性大于A

3、1原子。原子自擴散系數(shù)的峰值出現(xiàn)在1000K附近，說明此時體系的燒結(jié)速度最快，并且原子的擴散機制在1000K附近發(fā)生了改變，初步分析是原子的擴散機制由表面擴散轉(zhuǎn)變成了體積擴散。 建立了α-Al2O3體系置換摻雜Si原子的三維模擬計算模型，并分別在300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K等不同溫度下進行了分子動力學(xué)模擬計算。結(jié)果表明，Si原子的摻雜明顯刺激了原體系中原子的活性，從而提高了體系的燒結(jié)速度，其中

4、對O原子活性的刺激尤為顯著，而對A1原予的刺激相對較弱。同時，O原子的擴散系數(shù)隨溫度升高而增加，但A1原子擴散系數(shù)隨溫度的變化趨勢較單元系材料體系中A1原子擴散系數(shù)隨溫度的變化趨勢沒有發(fā)生明顯變化，依然是在1000K左右出現(xiàn)峰值，說明Si原子的摻雜改變了O原子原有的擴散機制，對O原子影響較大，而對A1原子則影響較小。 建立了α-Al2O3體系間隙摻雜SiC分子的三維模擬計算模型，利用CASTEP量子力學(xué)計算程序，對單元系α-Al

5、2O3、α-Al2O3體系間隙摻雜SiC分子，以及α-Al2O3體系存在空位時的材料力學(xué)性能進行了模擬計算，獲得了各材料體系的彈性常數(shù)、楊氏模量和泊松比。對于單元系α-Al2O3材料體系，材料彈性常數(shù)、楊氏模量和泊松比的模擬結(jié)果與實際值相近，誤差在10％左右，說明采用量子力學(xué)方法對材料力學(xué)性能進行預(yù)測是可行的。對于含有原子空位的單元系α-Al2O3材料體系，原子空位點缺陷的存在降低了體系的力學(xué)性能，空位率越大，體系的力學(xué)性能越低，并且發(fā)