陶瓷刀具材料微观尺度有限元模拟模型及其应用研究

论文摘要

陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、良好的高温性能和化学稳定性,在高速切削和难加工材料加工领域具有传统刀具无法比拟的优势,但陶瓷刀具的脆性大,极大地限制了陶瓷刀具的推广和应用。传统的开发陶瓷刀具的方法多采用“试凑法”,这种方法不仅费时费力,而且在提高断裂韧度的同时,有时还会降低材料的硬度和耐磨性,因此寻找全新的开发方法对陶瓷刀具的研制和发展具有重要的意义。由于计算机模拟技术的应用,使得陶瓷刀具材料的研究从半经验定性描述逐渐进入到定量预测控制的更为科学的阶段。本文基于蒙特卡洛算法,建立了陶瓷刀具材料微观尺度有限元三维模拟模型,对陶瓷刀具材料的应力场、等效弹性模量和裂纹扩展行为进行了模拟。采用蒙特卡洛算法建立了陶瓷刀具材料三维微观组织模拟模型；集成蒙特卡洛算法和有限元法,建立了陶瓷刀具材料的微观尺度有限元三维模拟模型。利用C++语言编写了单相和复相陶瓷刀具材料的晶粒生长演化程序,建立了陶瓷刀具材料三维微观组织蒙特卡洛模拟模型。通过本文开发的接口程序,将蒙特卡洛三维模拟模型演变后的微观组织成功地导入有限元分析软件ABAQUS/CAE模块之中,建立了单相氧化铝陶瓷刀具材料和复相Al2O3/TiB2陶瓷刀具材料的微观尺度有限元三维模拟模型。分别建立了单相和复相陶瓷刀具材料机械应力、残余热应力、等效弹性模量的微观尺度有限元三维模拟模型。模拟研究了单相氧化铝陶瓷刀具材料和复相Al2O3/TiB2陶瓷刀具材料在单轴压力作用下的线弹性机械应力场；结果表明,晶界处的应力较大,在外载荷作用下,容易产生沿晶断裂；在复相陶瓷刀具材料内,由于第二相颗粒的存在,晶界处的最大拉应力等值线分布密度降低,使材料内部整体应力分布趋于均匀,在一定程度上缩小了应力集中,可提高材料的断裂韧度。模拟研究了复相A1203陶瓷刀具材料的残余热应力场及其增韧效应；结果表明,第二相颗粒内主要是残余压应力,基体内主要是残余拉应力,在第二相与基体的界面处,应力产生突变,由第二相到基体,残余压应力逐渐减小,残余拉应力逐渐’本研究得到了国家自然科学基金（50975161）和济南市高校自主创新计划（200906013）资助增大；最大残余拉应力随着第二相体积含量的增大而增大,最大残余压应力则是先增大后降低,由于残余压应力可以促使裂纹尖端闭合,产生增韧作用,因此第二相组份存在一个最优的体积含量。建立了等效弹性模量的微观尺度有限元计算模型,计算了复相Al2O3陶瓷刀具材料的等效弹性模量,并与通过经验模型获得的等效弹性模量进行了对比；结果表明,有限元计算结果与经验模型获得的结果相符合,并介于经验模型计算的等效弹性模量上限值和下限值之间,证明了等效弹性模量的微观尺度有限元计算模型的正确性。分别建立了单相陶瓷刀具材料中Ⅰ型裂纹和复合型裂纹（同时存在Ⅰ型和Ⅱ型裂纹）扩展行为的微观尺度扩展有限元三维模拟模型。模拟结果表明,Ⅰ型裂纹和复合型裂纹的模拟扩展路径与实际扩展路径相符,而且在裂纹尖端存在应力集中效应,这是导致材料真实断裂强度小于理论断裂强度的原因之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 陶瓷刀具材料的发展概况
• 1.2 陶瓷刀具材料的分类
• 1.2.1 氧化铝基陶瓷刀具材料
• 1.2.2 氮化硅基陶瓷刀具材料
• 1.2.3 其它类型的陶瓷刀具材料
• 1.3 计算机模拟技术的研究现状
• 1.3.1 计算机模拟技术在材料科学研究中的应用
• 1.3.2 材料模拟方法与模拟层次
• 1.4 计算机模拟方法简介
• 1.4.1 有限元法
• 1.4.2 有限差分法
• 1.4.3 边界元法
• 1.4.4 分子动力学法
• 1.4.5 蒙特卡洛法
• 1.4.6 元胞自动机法
• 1.5 本文的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 本文的研究目的、意义
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 第2章 陶瓷刀具材料的力学性能研究基础
• 2.1 陶瓷刀具材料的弹性模量
• 2.1.1 弹性模量与温度的关系
• 2.1.2 弹性模量与熔点和原子体积的关系
• 2.1.3 弹性模量与气孔率的关系
• 2.1.4 复合材料的弹性模量
• 2.2 陶瓷刀具材料的断裂强度
• 2.2.1 理论断裂强度
• 2.2.2 格里菲斯断裂理论
• 2.2.3 强度的影响因素
• 2.3 陶瓷刀具材料的断裂韧度和断裂功
• 2.3.1 应力强度因子与断裂韧度
• 2.3.2 断裂功
• 2.4 本章小结
• 第3章 陶瓷刀具材料微观尺度有限元模拟模型的建立
• 3.1 材料体系的选择
• 3.2 蒙特卡洛模拟模型的建立
• 3.2.1 蒙特卡洛算法简介
• 3.2.2 蒙特卡洛理论模型的建立
• 3.2.3 取向数的选择
• 3.2.4 边界条件的选定
• 3.3 微观尺度有限元模拟模型的建立
• 3.3.1 ABAQUS软件简介
• 3.3.2 INP文件简介
• 3.3.3 微观尺度有限元模拟模型的建立
• 3.3.4 微观尺度有限元模拟模型的建模方法
• 3.3.5 微观尺度有限元模拟模型的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶瓷刀具材料应力场和等效弹性模量的模拟
• 4.1 弹性力学理论基础
• 4.2 单轴压力作用下的弹性性能分析
• 2O₃陶瓷刀具材料机械应力场的微观尺度有限元模拟'>4.3 单相Al₂O₃陶瓷刀具材料机械应力场的微观尺度有限元模拟
• 2O₃陶瓷刀具材料模拟模型的建立'>4.3.1 单相Al₂O₃陶瓷刀具材料模拟模型的建立
• 4.3.2 单相刀具材料机械应力场的模拟结果
• 2O₃陶瓷刀具材料机械应力场的微观尺度有限元模拟'>4.4 复相Al₂O₃陶瓷刀具材料机械应力场的微观尺度有限元模拟
• 2O₃陶瓷刀具材料模拟模型的建立'>4.4.1 复相Al₂O₃陶瓷刀具材料模拟模型的建立
• 4.4.2 复相刀具材料机械应力场的模拟结果
• 4.5 复相陶瓷刀具材料残余热应力场的微观尺度有限元模拟
• 4.5.1 陶瓷刀具材料及热物性参数的确定
• 4.5.2 复相刀具材料残余热应力场的模拟结果
• 4.6 复相陶瓷刀具材料等效弹性模量的微观尺度有限元计算
• 4.6.1 等效弹性模量有限元计算理论分析
• 4.6.2 等效弹性模量的微观尺度有限元计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 陶瓷刀具材料裂纹扩展行为的模拟
• 5.1 陶瓷刀具材料断裂理论
• 5.1.1 陶瓷刀具材料的理论断裂强度
• 5.1.2 微裂纹断裂理论
• 5.1.3 裂纹扩展类型
• 5.2 扩展有限元法
• 5.3 陶瓷刀具材料裂纹扩展行为的微观尺度有限元模拟
• 5.3.1 Ⅰ型裂纹扩展行为模拟
• 5.3.2 复合型裂纹扩展行为模拟
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表