陶瓷刀具材料具有高的强度、较强的红硬性和耐磨性,是一类极具发展前途的刀具材料,但是由于断裂韧度较低,限制了其广泛应用。纳米复合陶瓷刀具材料的出现有望从根本上解决陶瓷刀具材料断裂韧度低的问题。材料的宏观力学性能主要取决于微观组织,对材料进行宏、微观尺度耦合模拟,研究微观组织和宏观力学性能之间的关系,对纳米复合陶瓷刀具材料的研发具有重要的理论指导意义。本文研究了烧结过程中陶瓷刀具材料晶粒生长理论和Monte Carlo模拟方法,建立了无缺陷两相纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的Monte Carlo Potts模型,基于微软公司开发的Visual C++6.0平台,利用C++编程语言,开发了模拟程序,对微观组织演变过程进行了模拟和试验验证。模拟研究了纳米第二相的粒径及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,纳米颗粒对基体晶粒的生长具有阻碍作用,能够细化基体晶粒。在含量相同的情况下,尺寸大的纳米颗粒钉扎作用弱；在尺寸相同的情况下,纳米颗粒含量越高,其钉扎作用越强。同时模拟得到了晶内／晶间型的微观组织。纳米颗粒的位置取决于其尺寸和含量。粒径较小的颗粒容易进入基体晶粒内部,而粒径大的纳米颗粒则主要位于基体晶粒边界上。当纳米相含量较低时,由于总的钉扎力较小,因而纳米颗粒更易进入基体晶粒内部。模拟研究了不同晶界能比率对纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,晶界能与界面能的竞争会影响纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织和晶粒生长过程。当界面能高于晶界能时,纳米颗粒可能进入基体晶粒,形成晶内／晶间型的纳米复合陶瓷刀具材料,并且纳米颗粒对基体晶粒的生长产生较强的钉扎作用；当界面能低于晶界能时,纳米颗粒则主要位于晶界上,形成晶间型的纳米复合陶瓷刀具材料。模拟研究了初始基体晶粒尺寸对纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变的影响。结果表明,初始基体晶粒尺寸影响纳米复合陶瓷刀具材料的微观组织类型及晶粒生长过程。当纳米晶粒的尺寸及含量一定时,初始基体晶粒尺寸越大,最终复合材料的晶粒尺寸越大,但是晶粒生长速率越低,进入基体晶粒内部的纳米颗粒越少,越难得到晶内型的微观组织。建立了烧结温度和晶粒生长速度之间的关系模型、烧结压力和晶粒生长速度之间的关系模型、模拟时间和保温时间之间的关系模型,并将这些模型耦合到模拟程序中,建立了考虑烧结工艺参数的纳米复合陶瓷刀具材料微观组织模拟模型,实现了不同烧结温度、烧结压力和保温时间下的模拟。结果表明,随着模拟时间的增长,平均晶粒半径呈抛物线规律不断增大；随着烧结温度、烧结压力的升高,平均晶粒半径不断增大,烧结温度对晶粒生长的影响大于烧结压力对晶粒生长的影响。建立了含有气孔的纳米复合陶瓷刀具材料微观组织演变Monte Carlo Potts模型,开发了模拟程序,模拟研究了纳米颗粒和气孔对微观组织演变、晶粒生长和致密化过程的影响。模拟结果表明,纳米颗粒阻碍晶粒生长；气孔对基体相晶粒长大具有明显的阻碍作用,致密度较低时,晶粒生长缓慢,而致密度较高时,晶粒的生长速度明显加快；陶瓷刀具材料的致密度随模拟时间的增加而增大,晶粒生长抑制致密化。将Monte Carlo算法与有限元法耦合,建立了纳米复合陶瓷刀具材料微观尺度有限元模型,对残余热应力及外力作用下的应力场进行了模拟,实现了宏微观尺度耦合模拟。模拟研究了Al2O3/SiC纳米复合陶瓷刀具材料的残余热应力场。结果表明,纳米SiC颗粒内主要是残余压应力；基体材料内不仅存在拉应力区,而且存在不同程度和不同范围的压应力区和剪应力区。残余热应力大小和分布形式与第二相颗粒的含量、颗粒尺寸及基体相初始粒径密切相关。最大残余拉应力随着第二相粒径和体积含量的增加而增大,而最大残余压应力则随着第二相体积含量的增加呈现先上升后下降的趋势。模拟研究了Al2O3/SiC纳米复合陶瓷刀具材料在单轴拉力作用下的应力场。结果表明,残余热应力的存在使材料内部产生较大的残余压应力区,有利于裂纹尖端闭合,对增韧有一定作用。结合残余应力的有限元模拟结果,分析了纳米复合陶瓷刀具材料的残余应力增韧机理。材料内部的残余压应力对裂纹尖端具有闭合作用,纳米相周围产生的局部拉应力能够诱发穿晶断裂,同时促使裂纹分叉和偏转,从而提高陶瓷刀具材料的断裂韧度。为减小拉应力范围,降低拉应力值,可对第二相的含量和粒径以及基体相初始粒径应加以控制,保证残余压应力较大而拉应力较小。对Al2O3/SiC纳米复合陶瓷刀具材料进行了烧结试验,实验获得的微观组织特征与模拟的微观组织特征吻合较好,证明了模拟模型和模拟结果的正确性。