纳米复合陶瓷刀具材料三维微观断裂行为模拟研究

Improving the fracture toughness has been one of the important research subject in the study field of ceramic tool materials. The mechanical properties of ceramic tool materials in macro-scale are determined by microstructure. And the essential reason for the brittleness of ceramic tool materials lies in the chemical bond properties in atomic scale. In this project, the relation between microstructure parameters and mechanical properties will be discussed essentially by using computer simulation method. This will be very meaningful to the research and development of ceramic tool materials. Cohesive model of nanocomposite ceramic tool materials based on 3D Voronoi tessellation will be built and 3D micro-scale fracture behavior will be studied. The relation between microstructure parameters and mechanical properties will be established. The distribution of residual stress and the microcrack initiation in the microstructure of nanocomposite ceramic tool materials will be simulated. When the external load is applied, the influence of residual stress and microcrack on crack path and mechanical properties will be studied. And the toughening and strengthening mechanisms of residual stress will be released. Sintering experiments will be performed to verify the simulation model and related methods. And the simulation model will be improved based on experiment results. A new kind of ceramic tool materials with excellent mechanical properties will be developed based on the verified simulation model.

如何提高陶瓷刀具材料的断裂韧度是陶瓷刀具材料研究领域的重要课题之一。陶瓷刀具材料的宏观力学性能取决于其微观组织，而造成陶瓷刀具材料脆性大的本质原因则是由其在原子尺度下化学键的性质决定的。本课题拟利用计算机模拟方法，从本质上分析微观组织和力学性能之间的相互关系，对陶瓷刀具材料的研发具有重要的指导意义。基于三维Voronoi网格的纳米复合陶瓷刀具材料内聚力模型，模拟三维微观断裂行为，建立微观组织特征参数和断裂韧度的之间的定量关系。通过模拟研究纳米复合陶瓷刀具材料微观组织内部残余应力场状态及微裂纹萌生行为，分析受外载条件下残余应力或微裂纹对陶瓷刀具材料的裂纹扩展路径及力学性能的影响，揭示残余应力的增韧补强机理。选择有代表性的若干材料体系进行烧结试验，以验证模拟模型的正确性，并根据试验结果对模拟模型做相应的调整。根据修正后的模拟模型，设计并研制出一种新型的具有优良力学性能的陶瓷刀具材料。

本项目利用计算机模拟方法，分析了微观组织和力学性能之间的相互关系，对以优化陶瓷刀具材料力学性能为目的的材料研发具有重要的指导意义。通过在表征纳米复合陶瓷刀具材料微观组织的三维Voronoi网格内部嵌入含有断裂准则的内聚力单元，建立了纳米复合陶瓷刀具材料的内聚力模型，模拟了三维微观断裂行为，分析了微观组织类型、纳米相颗粒尺寸、纳米相体积含量对裂纹扩展路径和材料断裂韧度的影响。模拟研究了纳米复合陶瓷刀具材料微观组织内部残余应力场分布状态，分析了受外载条件下残余应力对陶瓷刀具材料的裂纹扩展路径及力学性能的影响，揭示了残余应力的增韧补强机理。选择Al2O3/TiCn材料体系进行了烧结试验，对试验制得的Al2O3/TiCn纳米复合陶瓷刀具材料进行了微观组织分析和力学性能测试，分析了纳米相体积含量和纳米相粒径大小对Al2O3/TiCn纳米复合陶瓷刀具材料微观组织和力学性能的影响，并将试验结果与模拟结果进行了对比，试验结果与模拟结果具有较好的一致性。以微米Al2O3作为基体相，纳米(W,Ti)C作为增强相，并根据模拟结果，选择纳米(W,Ti)C的粒径为20nm，体积含量为15%，研制出了一种新型的Al2O3/TiCn纳米复合陶瓷刀具材料，并对材料的微观组织结构和力学性能进行了分析。