陶瓷刀具材料三維微觀裂紋擴(kuò)展行為模擬研究.pdf

1、脆性大、抗彎強(qiáng)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(xué)者們一直在尋找提高其力學(xué)性能的方法。傳統(tǒng)的陶瓷刀具材料研發(fā)主要依靠“試錯(cuò)法”，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低?？焖侔l(fā)展的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為解決這些問(wèn)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(duì)三維微觀裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)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(guò)編寫(xiě)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(kuò)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(kuò)展行為。模擬得到的穿晶斷裂時(shí)的裂紋擴(kuò)展路徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，說(shuō)明模型能較好的模擬單相陶瓷刀具材料的裂紋擴(kuò)展路徑。分析了晶界強(qiáng)度對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的影響，模擬結(jié)果表明，隨著晶界強(qiáng)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(jì)算了單相Al2O3材料模型的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度，結(jié)果表明，當(dāng)斷裂模式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔褧r(shí)，抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度會(huì)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(kuò)展行為，分析了相界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合陶瓷刀具微觀裂紋擴(kuò)展行為的影響。模擬結(jié)果中觀察到了微開(kāi)裂、裂紋釘扎和晶粒橋聯(lián)等增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，說(shuō)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(qiáng)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(qiáng)度和斷裂韌度隨之提高。當(dāng)相界面強(qiáng)度高于基體晶界強(qiáng)度時(shí)，第二相對(duì)復(fù)合陶瓷力學(xué)性能提高的作用比較顯著。分析了第二相體積含量對(duì)復(fù)合陶瓷刀具材料力學(xué)性能的影響，對(duì)比了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值。材料模型的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度較低的相界面強(qiáng)度類型下，抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度出現(xiàn)了最大值。在相界面結(jié)合強(qiáng)度較低時(shí)，第二相含量對(duì)斷裂力學(xué)性能的

5、影響不顯著?？紤]了氣孔率對(duì)強(qiáng)度的影響，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)計(jì)算得到的抗拉強(qiáng)度值進(jìn)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(chǎng)。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(duì)裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)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(qiáng)度，不利于穿晶斷裂的發(fā)生，對(duì)晶界強(qiáng)度較高時(shí)的斷裂韌度提高不利;但對(duì)于晶界強(qiáng)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(chǎng)，并耦合殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了模擬。模擬得到的殘余應(yīng)力場(chǎng)中TiB2晶粒內(nèi)主要受壓應(yīng)力;對(duì)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(dǎo)致的裂紋釘扎、TiB2相內(nèi)的壓應(yīng)力場(chǎng)和徑向壓應(yīng)力等對(duì)相界面的強(qiáng)化作用均有利于提高抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度。
　　 對(duì)比分析表明，耦合殘余應(yīng)力后Al2O3/TiB2模型預(yù)測(cè)的抗拉強(qiáng)