如何提高陶瓷刀具材料的断裂韧度是陶瓷刀具材料研究领域的重要课题之一。陶瓷刀具材料的宏观力学性能取决于其微观组织,而造成陶瓷刀具材料脆性大的本质原因则是由其在原子尺度下化学键的性质决定的。本文利用多尺度模拟方法,对陶瓷刀具材料的纳观和微观组织进行了模拟研究,对陶瓷刀具材料的研发具有重要指导意义。建立了Al2O3(012)/SiC(310)界面模拟模型,对差分电荷密度、态密度和布居数进行了分析。结果表明,Al-C键和O-Si键对界面结合强度和抗蠕变性能有贡献,且贡献大小关系是Al-C>O-Si;在整个界面模型中,SiC晶粒内部的Si-C键合作用最强,而晶界处的Al-C和Si-O的平均键合强度高于Al2O3晶粒内的Al-O键。建立了单相Al2O3和复相Al2O3/SiC陶瓷刀具材料的界面分子动力学模拟模型,利用分子动力学方法计算了界面结合能,比较了不同界面模型的界面结合强度和抗裂纹扩展能力。并将单相Al2O3界面模型和复相Al2O3/SiC界面模型的界面结合能分别作为Al203晶界断裂能和Al2O3/SiC界面断裂能,传递给微观断裂行为模拟模型使用。模拟研究了Al2O3(012)/SiC(011)界面模型在烧结过程中的界面结合能变化和扩散行为。随着温度的升高,界面结合能先增大后减小,其中在1500K出现最大值。原子扩散系数随着温度的升高呈现先增大后减小的趋势。各原子在同一温度下的扩散速率的关系是C>Si>O>Al。在Voronoi网格表征的微观组织中插入含有断裂准则的内聚力单元,建立了内聚力模型,分别对不含气孔的单相陶瓷刀具材料、含气孔的单相陶瓷刀具材料和纳米复合陶瓷刀具材料微观组织中的裂纹扩展行为进行了模拟。模拟研究了不含气孔的单相陶瓷刀具材料的晶粒大小对裂纹扩展路径的影响。结果表明,单相材料都发生沿晶断裂。在晶粒较小的微观组织中,其裂纹扩展路径更曲折,裂纹偏转次数较多,会吸收更多的断裂功；晶粒粒径较小的微观组织具有较大的临界断裂能释放率,因此减小晶粒尺寸有助于提高材料的断裂韧度。气孔率对单相陶瓷刀具材料微观断裂行为影响的模拟结果表明,位于晶界的气孔边缘的应力集中效应增加了晶界断裂的概率。气孔率增大,材料的断裂表面能降低。模拟研究了纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织类型、纳米相颗粒尺寸和纳米相体积含量对材料微观断裂行为的影响。结果表明,纳米相颗粒改变了材料的断裂模式,由单相材料的沿晶断裂变为沿晶-穿晶混合型断裂。位于晶界的纳米相对纳米复合陶瓷刀具材料断裂模式的改变起主导作用。在纳米相粒径较小的微观组织中,弥散分布在主晶界的纳米相数量较多,具有更显著的增韧效果。当纳米相体积含量为15%时,微观组织中穿晶断裂比例最高,临界断裂能释放率最大。模拟研究了纳米相/基体相界面、基体相晶粒和基体晶界三者的断裂能比例对纳米复合陶瓷刀具材料断裂模式的影响。结果表明,其临界断裂能释放率的变化次序为强界面>中等强度界面>弱界面,强界面有利于提高纳米复合陶瓷刀具材料的断裂韧度。模拟研究了纳米复合陶瓷刀具材料微观组织内部残余应力场分布和在外载作用下材料的微观断裂行为。结果表明,对于晶内型组织,若不考虑残余应力,晶内纳米粒子对主裂纹沿晶扩展和断裂模式几乎没有影响；若考虑残余应力,晶内残余拉应力使穿晶断裂明显增加。对于晶间型组织,若不考虑残余应力,纳米相和基体相之间较高的结合强度使材料容易发生穿晶断裂；若考虑残余应力,径向压应力促进了纳米相和基体相之间的界面结合强度,增强了纳米粒子对裂纹的“钉扎”作用；切向拉应力则和外加拉应力场叠加,增大了纳米粒子断裂的倾向。模拟研究了纳米相体积含量变化时晶内/晶间混合型纳米复合陶瓷刀具材料微观组织模型中的残余应力场。结果表明,随着纳米相体积含量的增加,纳米相周围的压应力区和拉应力区逐渐增大,拉应力区增大的更明显。平均拉应力随着纳米相体积含量的升高而不断增大,而平均压应力随着纳米相体积含量的升高呈现出先升高后降低的趋势。若考虑残余应力,晶内纳米粒子周围的残余拉应力场对基体晶粒的弱化作用使穿晶断裂比例增大,且材料的临界断裂能释放率较高。临界断裂能释放率随纳米相体积含量的增加而先升高后下降,并在纳米相体积含量为15%时达到最大值。模拟研究了材料微观组织内部在残余应力场作用下的微裂纹萌生行为。结果表明,纳米相粒径越小,生成的微裂纹尺寸越小。微裂纹密度随着纳米相体积含量的增加而增大。对于晶间型组织,微裂纹主要产生于纳米相粒子周围的晶界处；对于晶内型组织,微裂纹主要产生于基体晶粒内部的纳米相粒子周围。模拟研究了含有自发微裂纹的晶内型和晶间型组织在外载作用下的裂纹扩展行为。结果表明,材料内部的微裂纹会减少主裂纹扩展过程中实际断裂表面面积,降低材料的断裂表面能,不利于提高材料的断裂韧度。建立了具有不同晶粒数的单相Al2O3陶瓷刀具材料的微观组织模型,并模拟了其受载后的微观断裂行为。发现裂纹从微观尺度扩展到宏观尺度过程中,出现晶粒桥联现象,且材料的临界断裂能释放率逐渐增加。并根据模拟结果预测了单相Al2O3陶瓷刀具材料的宏观断裂韧度。