石墨烯具有优异的力学性能,通常被作为增强相添加到材料基体中,用以提高刀具综合力学性能。目前石墨烯复合陶瓷刀具材料的增韧机理主要为裂纹偏转、裂纹分支和裂纹桥联以及石墨烯的拔出等。但在界面结构、成分以及结合强度等方面少有研究。本文主要建立了石墨烯增韧Al₂O₃复合陶瓷刀具材料（GA）微观组织模型并对裂纹扩展进行模拟研究。主要研究内容如下:1、模拟研究了GA复合陶瓷刀具材料微观组织以及裂纹扩展行为。分析了Al₂O₃和石墨烯相界面的结合强度、石墨烯的体积大小、石墨烯的体积含量对陶瓷刀具微观裂纹扩展行为的影响。模拟结果中得到了裂纹偏转、裂纹钉扎、晶粒桥联、石墨烯拉断等增韧机理。（1）分析了Al₂O₃和石墨烯相界面的结合强度对GA复合陶瓷刀具材料力学性能的影响。随着Al₂O₃和石墨烯相界面结合强度的提高裂纹扩展路径沿着石墨烯扩展变为绕开石墨烯发生偏转。强界面对裂纹扩展起到抵抗作用,弱界面容易形成微裂纹缓解主裂纹的应力集中。随着相界面结合强度不断提高,表征刀具材料断裂韧性的平均能量释放率呈现先升高后下降的趋势。但相界面强度太低或太高均会弱化材料,降低材料的断裂韧性。（2）分析了石墨烯的体积大小对GA复合陶瓷刀具材料力学性能的影响。石墨烯短径对刀具材料力学性能的影响,平均能量释放率呈现出先增后减的趋势。石墨烯短径较小时有助于增韧作用。在强界面处石墨烯的粒径越大裂纹越容易被钉扎,石墨烯的粒径越小裂纹越容易发生偏转,裂纹扩展路径更加曲折。在弱界面处当石墨烯的长径大于Al₂O₃基体平均晶粒直径时,裂纹容易发生桥联。随着石墨烯长径的不断增加,能量耗散和裂纹扩展长度都呈现下降的趋势。石墨烯较大时会弱化材料,降低刀具材料的断裂韧性。（3）分析了石墨烯体积含量对GA复合陶瓷刀具材料力学性能的影响。随着石墨烯体积含量的增加,平均能量释放率都呈现出了先升高后下降的趋势。当其体积含量为0.50vol%时,平均能量释放率最高,断裂韧性最好。当体积含量为1vol%时,平均能量释放率降幅较大,所以过量的石墨烯会弱化材料。2、模拟研究了GA复合陶瓷刀具材料的残余应力场,并耦合残余应力对裂纹扩展行为进行了模拟分析。通过模拟分析可知,石墨烯内部的残余应力主要为压应力,对应的Al₂O₃基体内则存在较大范围的拉应力。石墨烯内的压应力场对其断裂韧性的提高能够起到显著作用（1）模拟研究了耦合残余应力场和外载作用下不同晶界强度对GA复合陶瓷刀具材料裂纹扩展的影响。石墨烯内部的压应力区数值从中间向两端逐渐减小。随着晶界强度的不断提高,石墨烯内部的压应力区数值和范围也不断增加,而拉应力区从靠近石墨烯中间部位的基体部分扩展到整个石墨烯周围的基体部分。此时,裂纹更倾向于沿着残余拉应力的区域进行扩展。压应力对裂纹的扩展具有抵抗作用。在外载作用下刀具材料的平均能量释放率随着晶界强度的增加而不断提高。（2）模拟研究了石墨烯体积含量分别为0.25vol%、0.50vol%、0.75vol%和1vol%时,GA复合陶瓷刀具材料微观组织中的残余应力场。残余压应力随着石墨烯体积含量的增大呈现上升的趋势。耦合残余应力微观组织在外载的作用下,弱界面的裂纹扩展主要以沿着石墨烯偏转和晶粒桥联为主。强界面的裂纹扩展主要是以绕开石墨烯偏转和晶粒桥联为主。残余拉应力能够削弱部分相界面的强度。在外载作用时,耦合残余应力的陶瓷刀具材料的平均能量释放率高于未耦合残余应力时的数值,这表明扩展同样程度的裂纹需要消耗更多的能量。因此,残余应力的存在能够起到增韧的目的。