硬质合金具有优异的机械性能,广泛应用于机械加工、航空航天等战略性支柱产业,特别在刀具行业中,具有统治级的地位。作为一种典型的脆硬性材料,其力学性能对显微组织尤其是各类宏-微观缺陷极为敏感,微小的缺陷或局部的材料弱化极易在切削载荷特别是热载荷的推动下大范围的扩展,造成刀具破损失效,导致生产中断,乃至威胁生产安全。为适应高效切削日益提升的要求,准确的表征刀具在切削过程中的显微组织演化规律,探明其安全服役载荷,揭示其力学性能衰减的物理本质,进而最大限度的挖掘该材料的性能潜力,具有重要的理论和实践意义。本文以重型切削常用的YT5硬质合金刀具为主要研究对象,利用多尺度表征技术,系统的研究了刀具材料在不同尺度下特有的显微组织,基于多尺度表征试验数据,结合多尺度融合建模理念,构建了可有效描述硬质合金微观组织特征的搭接区模型,揭示了刀具粘结破损的损伤演化机理,实现了刀具主要力学性能指标的预测,本文的研究方法具有良好的可移植性,对显微组织类似的脆硬性材料的研究具有启发和指导意义。基于薄膜热电偶测温原理,开发了新型无线测温刀具系统,并进行了验证和应用。利用有限元仿真探明刀具前刀面力-热载荷分布,确定了薄膜热电偶沉积位置;采用飞秒激光技术在硬质合金刀具表面加工沉积槽,并应用电解-等离子抛光技术对沉积槽槽底进行处理;应用等离子体增强化学气相沉积法在沉积槽内镀制绝缘涂层,采用磁控溅射法镀制Ni Cr/Ni Si测温涂层。随后利用静态标定法验证测温涂层的测温精度以及灵敏度,采用切削试验验证测温刀具的切削性能,最后参考企业生产加工的实际工况,开展等效断续切削试验,结合有限元仿真,探明典型工况下的刀具表面切削温度分布,同时获取粘结破损不同损伤演化阶段的待表征试样。在不同损伤演化阶段试样的基础上,采用多尺度分析技术,系统的表征了损伤演化过程中刀具的显微组织。应用扫描电子显微镜,研究显微组织、断口形貌以及元素分布;采用电子背散射技术研究晶粒尺寸和织构强度;利用球差矫正透射电子显微镜在亚微米尺度和纳米尺度上,研究刀具损伤前/后的晶（相）界的结构,采用电子衍射以及高分辨像的快速傅里叶变换图谱研究试样局部特定微小结构的物相、位相关系;应用ACTEM-EDS进行相界元素分布以及微细组织的精确表征;利用高分辨像对WC/Co的相界结构以及相界缺陷进行原子级表征,为进一步的刀具损伤演化机理研究提供了重要的支撑。运用基于密度泛函理论的第一性原理计算,揭示了刀具经长时间切削加工后力学性能衰减的物理本质。在WC/Co相界高分辨像的基础上,构建了WC/Coα以及WC/Coβ的具有三维周期性边界条件的原子级界面模型,基于此,运用第一性原理计算,研究了粘结相马氏体相变以及杂质元素偏析对界面稳定性和断裂性能的影响,通过对比研究WC/Coα和WC/Coβ界面性能,揭示了刀具材料弱化的物理本质,并为后续硬质合金多尺度模型建模和应用提供有效的支撑。基于多尺度表征分析试验数据,结合多尺度融合理念,构建了硬质合金显微组织模型,进而提出了刀具力学性能预测方法。采用Cohesive element模型,基于第一性原理计算数据,构建了微观尺度上的WC/Co,Ti C/Co等界面的二维有限元模型,并计算了界面强度;采用热冲击试验,结合扫描电子显微镜分析,计算了不同加载温度和加载方式下对刀具内孔隙度的影响,进而提出刀具安全工作温度,结合孔隙度数据研究了不同类型、不同分布方式的微观缺陷对刀具显微界面强度的影响;运用Voronoi算法结合布尔运算,搭建了硬质合金显微组织模型,确定了可代表宏观力学属性的最小单元尺寸,基于该模型,提出刀具硬度的预测方法。