陶瓷刀具材料納觀界面行為和微觀斷裂行為模擬研究.pdf

1、如何提高陶瓷刀具材料的斷裂韌度是陶瓷刀具材料研究領(lǐng)域的重要課題之一。陶瓷刀具材料的宏觀力學(xué)性能取決于其微觀組織，而造成陶瓷刀具材料脆性大的本質(zhì)原因則是由其在原子尺度下化學(xué)鍵的性質(zhì)決定的。本文利用多尺度模擬方法，對陶瓷刀具材料的納觀和微觀組織進行了模擬研究，對陶瓷刀具材料的研發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
　　 建立了Al2O3(012)/SiC(310)界面模擬模型，對差分電荷密度、態(tài)密度和布居數(shù)進行了分析。結(jié)果表明，Al-C鍵和O-Si

2、鍵對界面結(jié)合強度和抗蠕變性能有貢獻，且貢獻大小關(guān)系是Al-C＞O-Si;在整個界面模型中，SiC晶粒內(nèi)部的Si-C鍵合作用最強，而晶界處的Al-C和Si-O的平均鍵合強度高于Al2O3晶粒內(nèi)的Al-O鍵。
　　 建立了單相Al2O3和復(fù)相Al2O3/SiC陶瓷刀具材料的界面分子動力學(xué)模擬模型，利用分子動力學(xué)方法計算了界面結(jié)合能，比較了不同界面模型的界面結(jié)合強度和抗裂紋擴展能力。并將單相Al2O3界面模型和復(fù)相Al2O3/SiC界

3、面模型的界面結(jié)合能分別作為Al2O3晶界斷裂能和Al2O3/SiC界面斷裂能，傳遞給微觀斷裂行為模擬模型使用。
　　 模擬研究了Al2O3(012)/SiC(011)界面模型在燒結(jié)過程中的界面結(jié)合能變化和擴散行為。隨著溫度的升高，界面結(jié)合能先增大后減小，其中在1500K出現(xiàn)最大值。原子擴散系數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。各原子在同一溫度下的擴散速率的關(guān)系是C＞Si＞O＞Al。
　　 在Voronoi網(wǎng)格表征的微

4、觀組織中插入含有斷裂準(zhǔn)則的內(nèi)聚力單元，建立了內(nèi)聚力模型，分別對不含氣孔的單相陶瓷刀具材料、含氣孔的單相陶瓷刀具材料和納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織中的裂紋擴展行為進行了模擬。
　　 模擬研究了不含氣孔的單相陶瓷刀具材料的晶粒大小對裂紋擴展路徑的影響。結(jié)果表明，單相材料都發(fā)生沿晶斷裂。在晶粒較小的微觀組織中，其裂紋擴展路徑更曲折，裂紋偏轉(zhuǎn)次數(shù)較多，會吸收更多的斷裂功;晶粒粒徑較小的微觀組織具有較大的臨界斷裂能釋放率，因此減小晶粒尺寸

5、有助于提高材料的斷裂韌度。氣孔率對單相陶瓷刀具材料微觀斷裂行為影響的模擬結(jié)果表明，位于晶界的氣孔邊緣的應(yīng)力集中效應(yīng)增加了晶界斷裂的概率。氣孔率增大，材料的斷裂表面能降低。
　　 模擬研究了納米復(fù)合陶瓷刀具材料的微觀組織類型、納米相顆粒尺寸和納米相體積含量對材料微觀斷裂行為的影響。結(jié)果表明，納米相顆粒改變了材料的斷裂模式，由單相材料的沿晶斷裂變?yōu)檠鼐?穿晶混合型斷裂。位于晶界的納米相對納米復(fù)合陶瓷刀具材料斷裂模式的改變起主導(dǎo)作用。

6、在納米相粒徑較小的微觀組織中，彌散分布在主晶界的納米相數(shù)量較多，具有更顯著的增韌效果。當(dāng)納米相體積含量為15％時，微觀組織中穿晶斷裂比例最高，臨界斷裂能釋放率最大。
　　 模擬研究了納米相/基體相界面、基體相晶粒和基體晶界三者的斷裂能比例對納米復(fù)合陶瓷刀具材料斷裂模式的影響。結(jié)果表明，其臨界斷裂能釋放率的變化次序為強界面＞中等強度界面＞弱界面，強界面有利于提高納米復(fù)合陶瓷刀具材料的斷裂韌度。
　　 模擬研究了納米復(fù)合陶瓷

7、刀具材料微觀組織內(nèi)部殘余應(yīng)力場分布和在外載作用下材料的微觀斷裂行為。結(jié)果表明，對于晶內(nèi)型組織，若不考慮殘余應(yīng)力，晶內(nèi)納米粒子對主裂紋沿晶擴展和斷裂模式幾乎沒有影響;若考慮殘余應(yīng)力，晶內(nèi)殘余拉應(yīng)力使穿晶斷裂明顯增加。對于晶間型組織，若不考慮殘余應(yīng)力，納米相和基體相之間較高的結(jié)合強度使材料容易發(fā)生穿晶斷裂;若考慮殘余應(yīng)力，徑向壓應(yīng)力促進了納米相和基體相之間的界面結(jié)合強度，增強了納米粒子對裂紋的“釘扎”作用;切向拉應(yīng)力則和外加拉應(yīng)力場疊加，增

8、大了納米粒子斷裂的傾向。
　　 模擬研究了納米相體積含量變化時晶內(nèi)/晶間混合型納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀組織模型中的殘余應(yīng)力場。結(jié)果表明，隨著納米相體積含量的增加，納米相周圍的壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)逐漸增大，拉應(yīng)力區(qū)增大的更明顯。平均拉應(yīng)力隨著納米相體積含量的升高而不斷增大，而平均壓應(yīng)力隨著納米相體積含量的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。若考慮殘余應(yīng)力，晶內(nèi)納米粒子周圍的殘余拉應(yīng)力場對基體晶粒的弱化作用使穿晶斷裂比例增大，且材料的臨界斷

9、裂能釋放率較高。臨界斷裂能釋放率隨納米相體積含量的增加而先升高后下降，并在納米相體積含量為15％時達到最大值。
　　 模擬研究了材料微觀組織內(nèi)部在殘余應(yīng)力場作用下的微裂紋萌生行為。結(jié)果表明，納米相粒徑越小，生成的微裂紋尺寸越小。微裂紋密度隨著納米相體積含量的增加而增大。對于晶間型組織，微裂紋主要產(chǎn)生于納米相粒子周圍的晶界處;對于晶內(nèi)型組織，微裂紋主要產(chǎn)生于基體晶粒內(nèi)部的納米相粒子周圍。
　　 模擬研究了含有自發(fā)微裂紋的晶