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(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，對(duì)陶瓷刀具的燒結(jié)制備過程進(jìn)行模擬，對(duì)刀具的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(jì)算機(jī)材料模擬仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及模擬方法，對(duì)納觀尺度范圍內(nèi)模擬方法的基本原理進(jìn)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(duì)象，利用計(jì)算機(jī)

2、模擬仿真技術(shù)，在MaterialStudio材料模擬計(jì)算軟件平臺(tái)上，基于量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算理論，在納觀尺度下（1至100納米）進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了探討。 建立了單元系A(chǔ)l2O3陶瓷材料的三維模擬計(jì)算模型，并分別在300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K等不同溫度下進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。結(jié)果表明，隨溫度的上升，體系中的原子自擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)的峰值出現(xiàn)在1000K附近，說(shuō)明此時(shí)體系的燒結(jié)速度最快，并且原子的擴(kuò)散機(jī)制在1000K附近發(fā)生了改變，初步分析是原子的擴(kuò)散機(jī)制由表面擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成了體積擴(kuò)散。 建立了α-Al2O3體系置換摻雜Si原子的三維模擬計(jì)算模型，并分別在300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K等不同溫度下進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)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(duì)O原子活性的刺激尤為顯著，而對(duì)A1原予的刺激相對(duì)較弱。同時(shí)，O原子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增加，但A1原子擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)較單元系材料體系中A1原子擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)沒有發(fā)生明顯變化，依然是在1000K左右出現(xiàn)峰值，說(shuō)明Si原子的摻雜改變了O原子原有的擴(kuò)散機(jī)制，對(duì)O原子影響較大，而對(duì)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(jì)算模型，利用CASTEP量子力學(xué)計(jì)算程序，對(duì)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(shí)的材料力學(xué)性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了各材料體系的彈性常數(shù)、楊氏模量和泊松比。對(duì)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(shí)際值相近，誤差在10％左右，說(shuō)明采用量子力學(xué)方法對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。對(duì)于含有原子空位的單元系α-Al2O3材料體系，原子空位點(diǎn)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)