Al2O3/SiC陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟

摘要

陶瓷材料具有优异的硬度、耐磨性和化学稳定性，现已广泛地应用于制造业领域，但其较低的强度和韧度，不仅影响了刀具的使用可靠性，而且缩小了其应用范围。陶瓷材料的微观结构对力学性能的影响最大，因此有必要对其微观结构的演变进行模拟和优化，为提高最终的力学性能提供理论依据。
　　本文通过分析晶粒生长过程的机理，从晶粒的生长跃迁概率、再取向尝试、生长速度的控制和边界条件的选择等方面建立了新的Monte Carlo Potts点阵模型和能量模型。通过分析Monte Carlo标准和改进算法，开发H-L Monte Carlo新算法，该算法先对当前晶格是否处于边界进行判断，对处于边界上并且转换后使总能量降幅最大的取向进行重新取向尝试，通过减少计算周期，加快了模拟速度。利用MATLAB软件编写程序来实现微观结构演变过程的模拟。
　　基于H-L Monte Carlo算法建立两相陶瓷微观结构演变的Monte Carlo Potts模型，并研究第二相的含量、尺寸和晶界能之比对微观结构的影响。模拟表明，第二相对基体相具有较强的钉扎作用，阻碍基体的生长，抑制晶粒的异常粗大。第二相尺寸越小，含量越多，对晶界的钉扎能力越强，阻碍基体生长的作用越强。具有相同晶界能的基体相间，第二相对晶界的钉扎作用较弱，晶界容易扩散，晶粒生长较快；当基体相和第二相的晶界能之比不同时，第二相对基体相的抑制作用会变强。这与第二相对基体相生长阻碍作用的理论分析结果一致，证明Monte Carlo Potts模型的准确性。研究烧结工艺参数与材料微观结构演变之间的关系，并模拟了烧结温度对微观结构的影响。模拟发现，在烧结过程中，晶粒的平均半径会随烧结温度的升高而增加。
　　对Al2O3/SiC陶瓷材料进行热压烧结实验，测定试样的力学性能，并观测其断口形貌的SEM图。对比实验结果与模拟结果，验证Monte Carlo Potts模型的准确性，为陶瓷刀具材料的设计、工艺参数的优化和力学性能的提高提供了依据。

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第一章 绪论

1.1 陶瓷刀具材料研究现状

1.2 纳米复相陶瓷材料的研究现状

1.3 材料微观组织演化的计算机模拟方法

1.4 陶瓷刀具材料模拟中存在的问题

1.5 本课题的研究目的及研究内容

第二章 陶瓷刀具材料的晶粒生长

2.1 晶粒长大的驱动力

2.2 晶界迁移速率

2.3 正常晶粒生长

2.4 异常晶粒生长

2.5 晶粒生长的影响因素

2.6 本章小结

第三章 蒙特卡罗波茨模型及模拟算法

3.1 蒙特卡罗波茨模型

3.2 晶粒生长速度的控制

3.3 边界条件的选择

3.4 Monte Carlo Potts模型的模拟算法

3.5 Monte Carlo Potts模型参数对模拟结果的影响

3.6 微观结构演变模拟的技术支持

3.7 本章小结

第四章 烧结过程中陶瓷刀具材料微观结构演变的模拟

4.1 两相陶瓷刀具材料微观组织演变模拟方法

4.2 烧结过程中两相陶瓷材料的模拟

4.3 第二相对晶粒生长的阻碍作用机理分析

4.4 烧结参数对微观结构演变的影响

4.5 本章小结

第五章 氧化铝基复合陶瓷刀具微观组织结构实验研究

5.1 实验参数设置

5.2 Al2O3基两相陶瓷刀具材料的烧结实验

5.3 Al2O3基两相陶瓷刀具材料的力学性能实验

5.4 Al2O3基两相陶瓷刀具材料烧结实验结果对比分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢