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对于微观三维三相陶瓷刀具材料微观组织模拟

收藏本文 2024-02-13 点赞:7002 浏览:22348 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:陶瓷刀具材料具有高的硬度和耐磨性,是一类极具进展前途的刀具材料,但是由于断裂韧度较低,限制了其广泛运用。纳米复合陶瓷刀具材料和晶须增韧陶瓷刀具材料的出现有望解决陶瓷刀具材料断裂韧度低的不足。材料的力学性能主要取决于其微观组织,由此探讨纳米复合陶瓷刀具材料和晶须增韧陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟,对设计和制备新型陶瓷刀具材料具有重要的论述作用和实际运用价值。本论文建立了耦合烧结工艺参数的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的蒙特卡洛波茨模拟模型及其改善算法,该算法具有选择性选取基体晶格点阵进行演变的功能,提升了模拟效率。基于微软公司开发的Visual C++6.0平台,利用C++编程语言,设计开发了三维模拟软件3DMS。模拟探讨了第二相和第三相纳米颗粒半径和含量对纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,第二和第三相纳米颗粒能够形成晶内/晶间型微观组织,纳米颗粒对晶粒生长具有较强的抑制作用,可细化基体晶粒。当添加相含量相同时,三相材料的晶粒半径小于两相材料,较小纳米颗粒对晶粒的钉扎作用较强,而较大纳米颗粒的钉扎作用较弱;当添加相颗粒半径相同时,纳米颗粒对基体相的钉扎作用随着添加相含量的增加而增强。半径较小的纳米颗粒较多的分布在晶粒内部,半径较大的纳米颗粒较多的分布在晶界上模拟探讨了晶界能比值对微观组织演变的影响。结果表明,当界面能高于晶界能时,纳米颗粒主要位于基体颗粒内部,纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织以晶内/晶间型为主;当界面能低于晶界能时,纳米颗粒主要位于晶界上,纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织以晶间型为主。基体相、第二相和第三相的晶界能比值相差越大,第二相和第三相对基体相晶粒生长的抑制作用越强。模拟探讨了纳米颗粒初始分布位置对三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,与纳米颗粒随机分布相比,当纳米颗粒分布在晶界附近时,材料的平均晶粒半径较小,进入基体晶粒内部的纳米颗粒较少,易形成晶间型微观组织。模拟探讨了烧结温度、烧结压力和保温时间对材料烧结历程中微观组织演变结果的影响。烧结温度对晶粒生长速率有显著影响,平均晶粒半径随着烧结温度的升高而增大。烧结压力对晶粒生长速率和平均晶粒半径几乎没有影响。随着模拟时间的增加,平均晶粒半径先增大尔后几乎不变。建立了含有气孔和杂质的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的蒙特卡洛波茨模型,探讨了气孔含量对微观组织演变的影响。结果表明,所建模型可以较好的模拟含有气孔的微观组织演变历程;气孔对晶粒长大具有抑制作用,当气孔含量增加时,需要适当延长烧结时间才能更好地排出气孔。建立了无缺陷三维三相纳米复合陶瓷刀具材料、晶须增韧陶瓷刀具材料、晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟模型,构建了三相陶瓷刀具材料的自由能密度函数,开发了相场法模拟软件3DPS,较好地模拟探讨了含晶须陶瓷刀具材料的微观组织演变历程。结果表明,相场法的模拟结果与蒙特卡洛法的模拟结果一致。对于晶须增韧陶瓷刀具材料,其基体相的平均晶粒半径随晶须半径的增加而增大。对于晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料,半径较大的晶须多位于三叉晶界处,半径较小的晶须多分布于晶粒内部;当晶须含量和长度一定时,半径较小的晶须对晶粒生长的阻碍作用较大,晶粒得到细化;当晶须含量和半径一定时,较长晶须增韧陶瓷刀具材料的晶粒尺寸分布不均匀,有着晶粒异常长大情况。建立了基于相场法模拟微观组织的三维三相各向异性复合陶瓷刀具材料微观有效弹性常数的求解模型,开发了微观有效弹性常数的计算程序EEC,计算了定向分布晶须和颗粒协同增韧陶瓷刀具材料的微观有效弹性常数。对Al203/Al203n/SiCn纳米复合陶瓷刀具材料进行了烧结验证实验,验证了蒙特卡洛波茨模拟模型和模拟结果的正确性。关键词:陶瓷刀具材料论文微观组织模拟论文蒙特卡洛法论文相场法论文微观有效弹性常数论文

    摘要15-18

    ABSTRACT18-22

    第1章 绪论22-38

    1.1 陶瓷刀具材料微观组织的模拟探讨近况22-34

    1.1.1 材料微观组织的模拟探讨概况22-23

    1.1.2 微观组织模拟策略的探讨近况23-34

    1.2 陶瓷刀具材料模拟探讨有着的不足34-35

    1.3 本论文探讨的目的、作用和探讨内容35-38

    1.3.1 本论文的探讨目的及作用35-36

    1.3.2 本论文的主要探讨内容36-38

    第2章 无缺陷三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的蒙特卡洛波茨模型38-56

    2.1 引言38

    2.2 陶瓷刀具材料微观组织演变的相关论述38-40

    2.2.1 正常晶粒生长38-40

    2.2.2 异常晶粒生长40

    2.3 蒙特卡洛波茨模型的建立40-43

    2.3.1 蒙特卡洛波茨点阵模型的建立40-42

    2.3.2 蒙特卡洛波茨能量模型的建立42-43

    2.4 蒙特卡洛波茨模型的模拟算法43-47

    2.4.1 现有蒙特卡洛波茨模拟算法43-45

    2.4.2 改善的蒙特卡洛模拟算法45-47

    2.5 耦合烧结工艺参数的蒙特卡洛波茨模型47-50

    2.5.1 耦合烧结温度的蒙特卡洛波茨模型47-48

    2.5.2 耦合烧结压力的蒙特卡洛波茨模型48-49

    2.5.3 保温时间和模拟时间的转换模型49-50

    2.6 模拟程序设计与软件开发50-54

    2.6.1 模拟程序设计50-51

    2.6.2 模拟软件开发51-54

    2.7 本章小结54-56

    第3章 无缺陷三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟56-80

    3.1 引言56

    3.2 模拟参数设定与结果浅析56-58

    3.2.1 模拟参数设定56-57

    3.2.2 微观组织参数的计算57-58

    3.3 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟58-73

    3.3.1 纳米颗粒含量对微观组织演变的影响58-61

    3.3.2 纳米颗粒半径对微观组织演变的影响61-66

    3.3.3 纳米颗粒位置对微观组织演变的影响66-69

    3.3.4 晶界能比值对微观组织演变的影响69-73

    3.4 烧结工艺参数对三维微观组织演变的影响73-78

    3.4.1 烧结温度对微观组织演变的影响73-76

    3.4.2 烧结压力对微观组织演变的影响76-78

    3.5 本章小结78-80

    第4章 含有气孔和杂质的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟80-100

    4.1 引言80

    4.2 气孔和杂质对三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响80-84

    4.2.1 气孔对晶粒生长的影响80-83

    4.2.2 杂质对晶粒生长的影响83-84

    4.3 含有气孔的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟84-93

    4.3.1 含有气孔的三维微观组织演变的模型建立84-86

    4.3.2 含有气孔的三维微观组织演变的模拟策略86-90

    4.3.3 含有气孔的三维微观组织演变的模拟结果90-93

    4.4 含有气孔和杂质的三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的模拟93-99

    4.4.1 含有气孔和杂质的三维微观组织演变的模型建立93-96

    4.4.2 含有气孔和杂质的三维微观组织演变的模拟算法96

    4.4.3 含有气孔和杂质的三维微观组织演变的模拟结果96-99

    4.5 本章小结99-100

    第5章 三维纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟100-120

    5.1 引言100

    5.2 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟100-107

    5.2.1 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的相场模型建立100-103

    5.2.2 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟算法103-104

    5.2.3 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的参数设置104-105

    5.2.4 三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的相场法模拟结果105-107

    5.3 纳米相对三维三相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响107-112

    5.3.1 纳米相含量对微观组织演变的影响107-109

    5.3.2 纳米相尺寸对微观组织演变的影响109-112

    5.4 晶须增韧陶瓷刀具材料的相场法模拟112-114

    5.5 晶须和纳米颗粒协同增韧陶瓷刀具材料微观组织的相场法模拟114-119

    5.5.1 晶须半径对微观组织演变的影响115-117

    5.5.2 晶须长度对微观组织演变的影响117-119

    5.6 本章小结119-120

    第6章 基于相场法模拟微观组织的三维三相陶瓷刀具材料微观有效弹性常数的计算120-138

    6.1 引言120-121

    6.2 复合材料有效弹性常数计算策略概述121-124

    6.3 微观有效弹性常数求解模型124-132

    6.3.1 非均匀弹性场的相场法模型124-127

    6.3.2 多晶体残余应力场的计算127-130

    6.3.3 应变的求解130-132

    6.3.4 基于相场法模拟微观组织的微观有效弹性常数算法132

    6.4 微观有效弹性常数计算程序设计与软件开发132-134

    6.4.1 微观有效弹性常数计算程序设计133

    6.4.2 计算软件开发133-134

    6.5 基于相场法模拟微观组织的微观有效弹性常数的计算结果134-137

    6.5.1 单相多晶材料微观有效弹性常数的计算134-136

    6.5.2 三相陶瓷刀具材料有效弹性常数的计算结果136-137

    6.6 本章小结137-138

    第7章 Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料微观组织验证实验138-148

    7.1 引言138

    7.2 实验参数设置138-139

    7.3 Al_2O_3基三相陶瓷刀具材料烧结实验139-141

    7.3.1 混合粉料的制备139-140

    7.3.2 烧结历程140-141

    7.4 三相纳米复合陶瓷刀具材料烧结实验结果比较浅析141-147

    7.4.1 纳米颗粒含量对微观组织的影响141-142

    7.4.2 纳米颗粒尺寸对微观组织的影响142-144

    7.4.3 烧结温度对微观组织的影响144-146

    7.4.4 烧结压力对微观组织的影响146-147

    7.5 本章小结147-148

    结论与展望148-151

    论新点摘要151-152

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