氧化铝基陶瓷刀具材料在硬度、化学稳定性、耐热性和耐磨性等方面均有良好的表现,在高速切削领域有着硬质合金刀具材料无可比拟的优点,但由于其强度、断裂韧性、导热系数和抗热震性较低,限制了其在高速切削中的广泛应用。石墨烯具有独特的二维结构、超大的比表面积、超高的强度和韧性,它的出现为陶瓷刀具材料的强韧化提供了新的可能和手段。本文基于第一性原理研究了采用石墨烯进行界面调控的可行性,从陶瓷刀具材料的微观结构出发,研究微观结构对宏观力学性能的影响,用于指导石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的设计,研制了石墨烯强韧化氧化铝/碳化钛复相陶瓷刀具,并研究刀具材料的微观结构和刀具的切削性能,揭示了石墨烯强韧化机理。建立氧化铝、碳化钛和石墨烯的晶体结构模型,进行几何优化,对最优结构切割晶面,计算分析晶面性质和稳定性,用稳定存在的不同晶体的晶面构建界面,进行模拟运算,研究界面性质。结果表明:氧化铝晶体表面和碳化钛晶体表面的结构稳定,均未发生表面重构现象,Al2O3(0001)和Ti终止TiC(111)是最稳定存在的表面。含石墨烯的界面能低于不含石墨烯的界面,表明石墨烯可降低界面强度,与其它组分形成弱结合界面,即在陶瓷刀具材料中添加石墨烯具有实现界面调控的可行性。建立复相陶瓷刀具材料的微观结构有限元分析模型,研究内聚力单元刚度和粒径等仿真参数对代表性体积单元断裂损伤行为的影响,确定了与陶瓷材料脆性断裂过程相符合的模型参数,仿真的裂纹扩展路径中有穿晶断裂、沿晶断裂和裂纹偏折及分叉等现象,与陶瓷刀具材料压痕裂纹形貌相一致。建立了含石墨烯的陶瓷材料微观结构有限元分析模型及基于该模型的材料抗弯强度和断裂韧性预报模型,通过研究基体相及添加相抗拉强度、材料组分间的体积分数比、晶粒粒径和石墨烯含量对材料抗弯强度和断裂韧性的影响,确定了石墨烯界面的比例和陶瓷材料组分体积分数比。石墨烯界面占总界面的15%时,材料的强韧化效果明显。氧化铝和碳化钛的体积分数比为7:3时,材料综合力学性能最好。采用热压烧结工艺制备了石墨烯强韧化氧化铝/碳化钛复相陶瓷刀具材料,优化确定了石墨烯的添加量,对界面进行TEM分析并计算界面差分电子密度,分析了石墨烯的强韧化机制,并初步研究了材料的各向异性。发现当石墨烯添加量为0.2 wt%时,相对于不含石墨烯的氧化铝/碳化钛陶瓷,其抗弯强度和断裂韧性分别提高了 30%和23%;添加石墨烯后,裂纹偏折度大大增加,裂纹分叉频率增多,除了常规的裂纹偏折分叉、石墨烯拔出及桥接、裂纹钝化和穿晶断裂外,石墨烯引入了强弱界面协同强韧化机制,实现了陶瓷的可加工性和高强韧性的统一;由石墨烯带来的弱结合界面激发了微裂纹增韧机制,实现了界面的调控;垂直与平行于热压烧结方向的材料微观结构迥异,使得刀具材料性能在这两个方向表现出明显不同,这为按性能需求来进行刀具切割提供了可能。最后进行了石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料连续车削淬硬42CrMo钢的试验。添加石墨烯后,刀具的抗磨损能力明显增强,其失效机理为后刀面粘结磨损,切削刃处微崩刃。石墨烯强韧化复相陶瓷刀具的最优切削速度在200 m/min左右。在此切削速度下,ATS2的刀具寿命高于对比商用刀具。