纳米复合陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟研究

论文摘要

陶瓷刀具以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性,在高速切削和切削难加工材料领域显示出传统刀具无法比拟的优势。但是陶瓷刀具材料大多是采用“试凑法”研制,研制周期长,成本高。通过计算机模拟的方法对纳米陶瓷刀具材料微观组织进行研究,可以指导纳米陶瓷刀具材料的研发,缩短其研发周期。相场法模拟已成为国内外研究微观组织的热点内容之一。因此本文采用相场法对纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变过程进行模拟研究。本文在分析晶粒生长理论的基础上,建立了陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型,基于微软公司开发的Visual C++6.0平台,利用C++编程语言和OpenGL图形接口,自主开发了陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟软件。该软件实现了陶瓷刀具材料烧结过程中微观组织演变过程的模拟,可输出任意时刻的二维模拟结果和模拟数据。建立了无缺陷单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型,分析了模拟时间和烧结温度对陶瓷刀具材料晶粒生长的影响规律。结果表明,随着模拟时间的增长,平均晶粒半径呈抛物线规律不断增大;随烧结温度的升高,晶粒生长速率和平均晶粒半径增大。建立了无缺陷复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型。模拟结果表明,随着第二相晶粒体积分数的增大,平均晶粒面积减小,材料内晶粒尺寸分布趋于均匀,晶粒分布趋近于理想三叉晶粒：随着纳米第二相晶粒含量的增加,对基体相的钉扎作用增强,纳米相含量高的基体相晶粒比较小,纳米相起到了细化晶粒的作用。第二相晶粒半径越小,其对基体晶粒生长的阻碍作用越强。建立了含有气孔的单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型,模拟结果表明,气孔对基体相晶粒长大具有明显的阻碍作用,在相同的模拟时间下,不含气孔时陶瓷刀具材料的平均晶粒半径大于含有气孔时陶瓷刀具材料的平均晶粒半径。建立了含有气孔的复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型,模拟结果表明,由于复相陶瓷刀具材料中晶粒的生长同时受到第二相晶粒和气孔的阻碍作用,故其晶粒生长速率比单相陶瓷刀具材料的晶粒生长速率慢。随着模拟时间的增加,当材料致密度较高时,气孔的阻碍作用减弱,故单相陶瓷刀具材料的晶粒生长速率明显加快,而复相陶瓷刀具材料由于受到第二相晶粒的“钉扎”作用,晶粒生长速率增加不明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 陶瓷刀具材料的研究现状
• 1.2 纳米陶瓷刀具材料的研究现状与进展
• 1.3 材料研究的主要模拟方法
• 1.3.1 第一性原理模拟技术
• 1.3.2 原子模拟技术
• 1.3.3 连续介质模型的模拟方法
• 1.4 相场方法介绍
• 1.5 相场法模拟晶粒生长的研究进展
• 1.6 本课题研究的目的、意义及主要研究内容
• 1.6.1 本课题研究的目的、意义
• 1.6.2 本课题研究的主要内容
• 第2章 陶瓷刀具材料晶粒生长相场法模拟模型的建立
• 2.1 晶粒生长理论
• 2.2 相场法模拟模型的建立
• 2.2.1 陶瓷刀具材料微观组织场变量的描述
• 2.2.2 局域自由能密度函数的构建
• 2.2.3 数值计算
• 2.3 相场法模拟模型参数的选择
• 2.3.1 取向场变量数的选择
• 2.3.2 网格数的选择
• 2.4 初始条件和边界条件
• 2.5 相场法模拟软件设计及实现
• 2.5.1 相场法模拟程序框图
• 2.5.2 图像显示程序语言简介
• 2.5.3 模拟软件的基本功能模块
• 2.6 本章小结
• 第3章 无缺陷单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟结果及分析
• 3.1 单相材料模拟过程及模拟参数设定
• 3.2 微观组织图像可视化的实现
• 3.3 模拟结果与分析
• 3.3.1 微观组织的模拟结果
• 3.3.2 晶粒尺寸的模拟结果
• 3.3.3 晶粒尺寸分布规律
• 3.3.4 不同烧结温度下的模拟结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 无缺陷复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟结果及分析
• 4.1 复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型的建立
• 4.2 复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟的实现
• 4.3 模拟参数设置
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 第二相晶粒含量对微观组织演变的影响
• 4.4.2 第二相晶粒尺寸对微观组织演变的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 含有气孔的陶瓷刀具材料微观组织模拟结果及分析
• 5.1 含有气孔的单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型的建立
• 5.1.1 含有气孔的单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型的建立
• 5.1.2 含有气孔的单相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟的实现
• 5.2 含有气孔的复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型的建立
• 5.2.1 含有气孔的复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟模型的建立
• 5.2.2 含有气孔的复相陶瓷刀具材料微观组织相场法模拟的实现
• 5.3 模拟参数设置
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表