【摘 要】
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随着我国制造业的兴起,高速切削成为了发展的重点,对切削刀具的要求也随之增高,陶瓷刀具以其优异的力学性能成为了高速切削理想选择之一,而传统的“试凑法”设计陶瓷刀具时,需要耗费大量时间来优化烧结工艺,导致陶瓷刀具的更新换代迟滞。而通过计算机建模,从微观甚至纳观对陶瓷刀具材料的组织演变过程进行模拟,指导陶瓷刀具的设计和制备,能够较大程度节省人力、物力以及材料的损耗。元胞自动机法是一种通过元胞的变换来表达
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:51605364）；
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随着我国制造业的兴起,高速切削成为了发展的重点,对切削刀具的要求也随之增高,陶瓷刀具以其优异的力学性能成为了高速切削理想选择之一,而传统的“试凑法”设计陶瓷刀具时,需要耗费大量时间来优化烧结工艺,导致陶瓷刀具的更新换代迟滞。而通过计算机建模,从微观甚至纳观对陶瓷刀具材料的组织演变过程进行模拟,指导陶瓷刀具的设计和制备,能够较大程度节省人力、物力以及材料的损耗。元胞自动机法是一种通过元胞的变换来表达演变过程的数学模型,在具备高度随机性的同时又可通过变化规则来引导变化趋势,具有容易操作、变化方向可定以及识别错误少等优点,能够较好地反映陶瓷刀具材料微观结构演变过程。本论文研究的主要目的是通过改进元胞自动机模型的模拟方法,构建揭示烧结工艺参数对微观结构演变影响关系的模型,进而指导放电等离子体烧结法制备陶瓷刀具。在烧结过程中,晶粒的生长过程是一个与多种因素相关的复杂过程。晶界的迁移率与绝对温度相关;晶粒的粒径大小与绝对时间相关。影响晶粒生长过程的主要影响因素有气孔与烧结工艺参数等,因此在微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构演变模型的模拟过程中需要着重考虑这些影响因素。构建改进的元胞自动机模型,模拟带气孔的微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构的演变过程,并建立模拟系统。改进元胞自动机模型的中心元胞状态转变规则,解决了在模拟中出现晶界形态异常的问题;改进元胞状态值的赋值方法,解决了晶粒识别性错误异常增长的问题;模拟了微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构演变过程;模拟了有气孔的复合陶瓷刀具材料微观结构演变过程;基于Visual Studio平台建立了微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构演变模拟系统。将放电等离子体烧结法的各烧结参数耦合进所构建的模型,使所构建模型能够正确反映烧结参数对微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构演变的影响。由绝对温度与烧结速度的关系推出烧结温度因子的表达式,将烧结温度因子与元胞状态变换成功概率P相乘,使烧结温度耦合进所构建模型;由等温晶粒生长的抛物线定律推出时间步与实际时间的关系,将其关系式耦合进时间步计算模块中,使保温时间耦合进所构建模型;由轴向压应力与晶粒生长速度之间的关系式推出压力因子的表达式,将其与中心元胞变换成功概率P相乘,使烧结压力耦合进所构建的模型;根据所构建模型的演变结果得出当烧结温度1600℃,保温时间为7min,烧结压力为40MPa时,陶瓷刀具材料晶粒的粒径分布较为匀称,气孔含量较低,材料致密度较高,可以获得宏观力学性能较优的微纳米复合陶瓷刀具材料。以模型所得最佳的烧结参数通过放电等离子体烧结法制备A1203/TiB2/TiC微纳米复合陶瓷刀具,在TiB2占比为20%、TiC占比为10%时力学性能最优,硬度、断裂韧性、抗弯强度等分别为:20.3GPa、10.5MPa/m2及839.5MPa。在进行Al2O3/TiB2/TiC微纳米复合陶瓷刀具材料的制备时,当烧结工艺参数与模型设计的烧结工艺参数相同时,力学性能最优,分析其SEM照片,所构建模型能够正确反映微纳米复合陶瓷刀具材料微观结构的演变过程。
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