三维三相纳米陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟.pdf

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1、8工具技术三维三相纳米陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟郝松，黄传真，邹斌，刘含莲，朱洪涛山东大学；高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)摘要：建立了添加两种纳米颗粒的三相陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟模型，改进了三维尺度下的现有模拟算法，提出了一种更为有效的模拟算法，成功模拟了200X200×200单位的三相复合陶瓷刀具材料的微观组织演化过程，提高了计算效率。分别模拟了单相材料与三相纳米陶瓷刀具材料的微观组织演化过程。结果表明，添加纳米颗粒的三相纳米陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布峰值较小，说明纳米颗粒对晶界的钉扎效果明显，起到了较好的细化基体相晶粒的作用。关键词：相场法；计算机模拟；微观组

2、织演化；纳米复合材料中图分类号：TGT11文献标志码：APhaseFieldSimulationofThree—PhaseNano—CeramicToolMaterialsHaoSong，HuangChuanzhen，ZouBin，LiuHanlian，ZhuHongtaoAbstract：Aphase—fieldmodelofthree—phasecompositeceramictoolmaterialswithtwokindsofnano—particlesissetupinthisresearch．Thethree—dimensionalsimulationalgorithmismodi

3、fiedandaneweficientalgorithmisestab—lished．Themierostructureevolutionofthree—phasenano—ceramictoolmaterialsismoreefficientlyandsuccessfullysim—ulatedin200×200X200unitsize．Microstruetureevolutionofsingle—phaseandthree—phaseceramictoolmaterialsissimulatedrespectively．Itcanbefoundthatthepeakvalueofgrai

4、nsizedistributionforthree—phasenano—ceramictoolmaterialissmallerthanaveragediameter．Itindicatesthatthenano—particlesnotonlyrestraingrainboundarymigration，butalsopreventtheeliminationofsmallgrainsandrefinematrixgrains．Keywords：phasefieldmethod；computersimulation；mierostructureevolution；nano—composite

5、material蒙特卡洛法、相场法、元胞自动机法、分子动力学方1引言法等，其中蒙特卡洛法和相场法是应用最多的两种陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性和化学稳定方法。与蒙特卡洛波茨模型不同，相场模型是一个性等独特的优越性，在高速切削范围以及难加工材连续的、建立在热动力学基础之上、考虑有序化势与料的切削加工中，特别是加热切削方面，包括涂层刀热力学驱动力的综合作用而建立相场方程描述系统具在内的任何高速钢和硬质合金刀具都无法与之相演化动力学的模型。其核心思想是引入一个或多个比。然而陶瓷刀具脆性大、强度和韧度较低的缺点连续变化的序参量，用弥散界面模型代替传统的尖限制了其推广应用。纳米复合陶瓷刀具材料的出锐界面

6、。相场法的缺点是计算量巨大，可模拟尺度现，极大地提高了陶瓷刀具材料的性能，尤其是对三较小，仅有几十微米。其优势是不用追踪晶界位置，相纳米复合陶瓷刀具材料的研究表明J，纳米颗粒可以较方便地耦合晶界能、晶界迁移率以及各向异可以提高材料的抗蠕变性、耐磨性、硬度与高温性性等复杂问题，还能处理晶界上溶质聚集和第二相能。为了更好地研究添加了纳米颗粒的基体相材料析出等问题，因此相场法成为模拟微观组织演化的在烧结时的晶粒生长情况与微观组织结构形貌特重要方法之一。征，量化研究平均晶粒半径和尺寸分布等信息，并进多晶材料晶粒长大过程中，当晶粒达到临界尺一步分析其增韧补强机理，越来越多的国内外学者寸时，第二相晶粒对晶

7、界有较强的钉扎作用，将阻止采用计算机模拟的方法研究陶瓷刀具材料在烧结过晶粒的进一步演变，明显改变晶粒生长动力学特征。程中的微观组织演化过程。近年来，相场法在研究第二相颗粒对多晶体晶粒生目前，比较常用的微观组织演化模拟方法包括长方面的影响取得了一定进展。1998年，Fan等_2]利用扩散界面场模型研究了A1O，一ZrO：复合材料中的第二相晶粒的Zener钉扎作用，此模型中所有基金项目：国家自然科学基