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三维三相陶瓷刀具材料微观组织的模拟研究

【摘要】:陶瓷刀具材料具有高的硬度和耐磨性,是一类极具发展前途的刀具材料,但是由于断裂韧度较低,限制了其广泛应用。纳米复合陶瓷刀具材料和晶须增韧陶瓷刀具材料的出现有望解决陶瓷刀具材料断裂韧度低的问题。材料的力学性能主要取决于其微观组织,因此研究纳米复合陶瓷刀具材料和晶须增韧陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟,对设计和制备新型陶瓷刀具材料具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文建立了耦合烧结工艺参数的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的蒙特卡洛波茨模拟模型及其改进算法,该算法具有选择性选取基体晶格点阵进行演变的功能,提高了模拟效率。基于微软公司开发的Visual C++6.0平台,利用C++编程语言,设计开发了三维模拟软件3DMS。 模拟研究了第二相和第三相纳米颗粒半径和含量对纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,第二和第三相纳米颗粒能够形成晶内/晶间型微观组织,纳米颗粒对晶粒生长具有较强的抑制作用,可细化基体晶粒。当添加相含量相同时,三相材料的晶粒半径小于两相材料,较小纳米颗粒对晶粒的钉扎作用较强,而较大纳米颗粒的钉扎作用较弱;当添加相颗粒半径相同时,纳米颗粒对基体相的钉扎作用随着添加相含量的增加而增强。半径较小的纳米颗粒较多的分布在晶粒内部,半径较大的纳米颗粒较多的分布在晶界上 模拟研究了晶界能比值对微观组织演变的影响。结果表明,当界面能高于晶界能时,纳米颗粒主要位于基体颗粒内部,纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织以晶内/晶间型为主;当界面能低于晶界能时,纳米颗粒主要位于晶界上,纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织以晶间型为主。基体相、第二相和第三相的晶界能比值相差越大,第二相和第三相对基体相晶粒生长的抑制作用越强。 模拟研究了纳米颗粒初始分布位置对三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,与纳米颗粒随机分布相比,当纳米颗粒分布在晶界附近时,材料的平均晶粒半径较小,进入基体晶粒内部的纳米颗粒较少,易形成晶间型微观组织。 模拟研究了烧结温度、烧结压力和保温时间对材料烧结过程中微观组织演变结果的影响。烧结温度对晶粒生长速率有显著影响,平均晶粒半径随着烧结温度的升高而增大。烧结压力对晶粒生长速率和平均晶粒半径几乎没有影响。随着模拟时间的增长,平均晶粒半径先增大尔后几乎不变。 建立了含有气孔和杂质的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的蒙特卡洛波茨模型,研究了气孔含量对微观组织演变的影响。结果表明,所建模型可以较好的模拟含有气孔的微观组织演变过程;气孔对晶粒长大具有抑制作用,当气孔含量增加时,需要适当延长烧结时间才能更好地排出气孔。 建立了无缺陷三维三相纳米复合陶瓷刀具材料、晶须增韧陶瓷刀具材料、晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟模型,构建了三相陶瓷刀具材料的自由能密度函数,开发了相场法模拟软件3DPS,较好地模拟研究了含晶须陶瓷刀具材料的微观组织演变过程。结果表明,相场法的模拟结果与蒙特卡洛法的模拟结果一致。对于晶须增韧陶瓷刀具材料,其基体相的平均晶粒半径随晶须半径的增加而增大。对于晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料,半径较大的晶须多位于三叉晶界处,半径较小的晶须多分布于晶粒内部;当晶须含量和长度一定时,半径较小的晶须对晶粒生长的阻碍作用较大,晶粒得到细化;当晶须含量和半径一定时,较长晶须增韧陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布不均匀,存在晶粒异常长大情况。 建立了基于相场法模拟微观组织的三维三相各向异性复合陶瓷刀具材料微观有效弹性常数的求解模型,开发了微观有效弹性常数的计算程序EEC,计算了定向分布晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料的微观有效弹性常数。 对Al203/Al203n/SiCn纳米复合陶瓷刀具材料进行了烧结验证实验,验证了蒙特卡洛波茨模拟模型和模拟结果的正确性。

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