1、脆性大、抗彎強度和斷裂韌度低是限制陶瓷刀具應(yīng)用的主要原因，因此學者們一直在尋找提高其力學性能的方法。傳統(tǒng)的陶瓷刀具材料研發(fā)主要依靠“試錯法”，費時、費力、效率低。快速發(fā)展的計算機模擬技術(shù)為解決這些問題提供了可能。本文建立了陶瓷刀具材料微觀組織的三維Voronoi網(wǎng)格有限元模型，采用內(nèi)聚力單元法對三維微觀裂紋擴展行為進行了模擬。
　　 建立了陶瓷刀具材料微觀組織的三維Voronoi網(wǎng)格有限元模型，模型考慮了晶粒的復(fù)雜幾何形狀和線彈

2、性各向異性，并通過編寫的MATLAB程序?qū)?nèi)聚力單元嵌入到模型的晶界和晶粒內(nèi)，能夠滿足任意斷裂模式和裂紋擴展路徑的模擬要求。
　　 以單相Al2O3為例，模擬研究了單相陶瓷刀具材料的三維微觀裂紋擴展行為。模擬得到的穿晶斷裂時的裂紋擴展路徑與實驗結(jié)果相似，說明模型能較好的模擬單相陶瓷刀具材料的裂紋擴展路徑。分析了晶界強度對裂紋擴展路徑的影響，模擬結(jié)果表明，隨著晶界強度的增加，單相Al2O3的斷裂模式逐漸由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔?。?/p>

3、模擬結(jié)果計算了單相Al2O3材料模型的抗拉強度和斷裂韌度，結(jié)果表明，當斷裂模式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔褧r，抗拉強度和斷裂韌度會有較大幅度的提高。
　　 以Al2O3/TiB2為例，模擬研究了復(fù)合陶瓷刀具材料三維微觀裂紋擴展行為，分析了相界面結(jié)合強度對復(fù)合陶瓷刀具微觀裂紋擴展行為的影響。模擬結(jié)果中觀察到了微開裂、裂紋釘扎和晶粒橋聯(lián)等增韌補強機理，說明本文所建立的模型能較好的模擬微觀組織與裂紋之間的相互作用。模擬結(jié)果表明，隨著相界面

4、結(jié)合強度的提高，基體和第二相的斷裂模式均由沿晶斷裂向穿晶和沿晶混合斷裂轉(zhuǎn)變，抗拉強度和斷裂韌度隨之提高。當相界面強度高于基體晶界強度時，第二相對復(fù)合陶瓷力學性能提高的作用比較顯著。分析了第二相體積含量對復(fù)合陶瓷刀具材料力學性能的影響，對比了模擬結(jié)果與實驗值。材料模型的抗拉強度和斷裂韌度隨著第二相體積含量的增加而增大，但在界面結(jié)合強度較低的相界面強度類型下，抗拉強度和斷裂韌度出現(xiàn)了最大值。在相界面結(jié)合強度較低時，第二相含量對斷裂力學性能的

5、影響不顯著?？紤]了氣孔率對強度的影響，利用經(jīng)驗公式對計算得到的抗拉強度值進行了修正。
　　 以單相Al2O3為例，模擬了單相陶瓷刀具材料的殘余應(yīng)力場。模擬得到的殘應(yīng)力按晶粒分布，承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的晶粒交替分布。耦合殘余應(yīng)力對裂紋擴展行為進行了模擬，發(fā)現(xiàn)由于殘余應(yīng)力削弱部分晶界的結(jié)合強度，不利于穿晶斷裂的發(fā)生，對晶界強度較高時的斷裂韌度提高不利;但對于晶界強度較低且未發(fā)生穿晶斷裂的情況，殘余壓應(yīng)力的作用使斷裂韌度小幅度提高。

6、r>　　 以Al2O3/TiB2為例，模擬了復(fù)合陶瓷刀具材料的殘余應(yīng)力場，并耦合殘余應(yīng)力對裂紋擴展行為進行了模擬。模擬得到的殘余應(yīng)力場中TiB2晶粒內(nèi)主要受壓應(yīng)力;對應(yīng)的基體內(nèi)則存在較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，但在不同的方向上存在一定程度和范圍的壓應(yīng)力區(qū)。殘余應(yīng)力導致的裂紋釘扎、TiB2相內(nèi)的壓應(yīng)力場和徑向壓應(yīng)力等對相界面的強化作用均有利于提高抗拉強度和斷裂韌度。
　　 對比分析表明，耦合殘余應(yīng)力后Al2O3/TiB2模型預(yù)測的抗拉強