本文的研究对象为氧化锆增韧氧化铝颗粒（Zirconia Toughened Alumina particle,简称ZTA_p）和氧化铝颗粒增强的Fe基复合材料。由于在Fe合金中添加了硬度高的陶瓷颗粒,使得Fe基复合材料兼备了陶瓷的高强度和金属基体良好的韧性,同时具有良好的耐磨性能,有望作为矿山、水泥、电力、环保处理机械设备耐磨件的局部耐磨强化材料,如可应用于刮板输送机中部槽、破碎机等易磨损部位,具有广阔的应用前景和商业价值。与单相的材料相比,陶瓷颗粒增强的金属基复合材料属于多相材料,在微观尺度上的组织结构具有不均匀、不连续和性能非线性等特点,其力学行为更为复杂。已有的研究表明,复合材料中陶瓷颗粒的尺寸、含量、形状和种类、陶瓷颗粒与金属基体之间的界面结合性能以及复合材料中的微观缺陷等因素均会影响复合材料的整体力学性能。同时,复合材料的力学性能与这些影响因素并不具备简单的线性关系,以界面的结合性能为例,并不是界面的结合强度越强复合材料的力学性能越好,在某些特定的情况下,希望界面承受载荷而脱粘,使得复合材料在界面脱粘过程中吸收更多的能量,从而具有更好的韧性。相反地,在某些情况下,界面的脱粘和开裂会加速复合材料的破坏过程,给设备和构件带来极大的安全隐患。根据具体的使用要求,系统地改变和调控这些因素,可以得到具有不同综合性能的和适用于不同实际载荷工况的复合材料。实验上,对陶瓷颗粒与金属基体之间界面性能的测量存在一定的困难,原因是为了得到适合测量的复合材料试样尺寸和形状,需对制备的复合材料进行机械加工,这样会在界面处引入额外的应力,导致测量的界面结合性能准确性不高。同时,实验结果受仪器的灵敏度和人员的操作水平等影响较大。复合材料力学性能的计算机模拟技术由于其方便的操作和具有预测性等特点,已被越来越多地应用于复合材料性能的研究中。在对复合材料的力学性能进行计算机模拟时,可在不同的时间和空间尺度上进行。宏观尺度的模拟基于连续介质力学理论,假设材料连续均匀且具有各向同性,模拟过程简单方便,但其结果的精确度有限,依赖于如单元网格划分尺寸等因素;微观尺度的模拟从原子和分子的角度出发,考虑电子的作用和原子所处的力场,具有很好的准确性,然而其模拟的材料尺寸和区域有限。因此,结合了宏观和微观尺度的多尺度模拟方法应运而生。兼具了宏观模拟的高效性和微观模拟的准确性,多尺度的计算模拟方法更加适合诸如复合材料一类宏观上可视为均匀、实际微观上组织和结构并不均匀的材料。本文充分运用陶瓷颗粒在金属基体中的强化效应等理论知识,借助适用于不同种类和不同应变率的材料强度和破坏理论模型,如陶瓷材料的J-H模型和Weibull模型,金属材料的强化模型和述缺陷的Mott分布模型等,采用多尺度模拟和实验验证相结合的方法,研究了ZTA_p和Al₂O_3p增强的Fe45合金基体复合材料力学性能的影响因素,系统地总结和分析了陶瓷颗粒的尺寸、体积分数、形状、颗粒与基体之间的界面结合性能以及基体内部的缺陷等对复合材料拉伸性能、冲击性能和微观磨粒磨损性能的作用规律。本文的主要结论如下:1.ZTA颗粒的参数和ZTA颗粒与Fe45基体之间的界面性能共同影响着ZTA_p/Fe45复合材料的拉伸性能。为了得到屈服极限较高的ZTA_p/Fe45复合材料,ZTA颗粒的体积分数应足够高,但又不至于过高引起复合材料临界应变的剧烈下降。颗粒与基体间的界面应有足够好的结合强度,来高复合材料的屈服极限和临界应力,降低界面脱粘导致材料失效破坏的概率。为了得到综合拉伸性能最好的ZTA_p/Fe45复合材料,最佳的ZTA颗粒的体积分数大致为20%,最佳的界面为强结合界面。选取以正方形颗粒为代表的尖角形颗粒可有效地高ZTA_p/Fe45复合材料的屈服极限和临界应变及应力值,高复合材料的断裂强度和承受破坏的能力,适合用于存在磨损等苛刻载荷的工况下;而含有椭圆形颗粒的复合材料相比于含有尖角形颗粒的复合材料,其弹性模量更大,适合在变形较小的工况下使用。ZTA颗粒的粒径在1.4³.0mm的范围内时,选取小粒径的ZTA颗粒增强的Fe45复合材料可以获得较高的屈服极限和较强的抵抗破坏能力,大粒径的ZTA颗粒增强的Fe45复合材料相比于小粒径ZTA颗粒会具有更高的弹性模量。2.随着ZTA颗粒体积分数的增加,ZTA_p/Fe45复合材料中颗粒断裂的概率略有下降,内聚界面出现脱粘破坏的数量增加。在含有内聚界面的ZTA_p/Fe45复合材料中,椭圆形颗粒引起的应力极值最大,圆形颗粒次之,正方形颗粒引起的应力极值最小。随着ZTA颗粒粒径的增大,ZTA_p/Fe45复合材料内部的应力极值和应力集中的区域面积均增大。细小弥散的ZTA颗粒对载荷的偏转作用更显著,使复合材料内部的应力分布更均匀,基体的强化效果更好,而粗大的ZTA颗粒更易引起基体应力的局部集中分布,增加复合材料破坏的可能性。含有较弱结合界面的复合材料界面开裂尖端附近的更易发生屈服破坏。随着内聚界面结合强度的增大,ZTA颗粒的断裂概率降低。3.采用分子动力学的方法对Al₂O₃/Fe界面的结合性能进行模拟的结果为:Al₂O₃/Fe界面的最大拉伸应力为1.4770GPa,最大剪切应力为0.3294GPa,界面的极限拉伸位移为14.7?,界面的极限剪切位移为17.3?。ZTA颗粒的参数对ZTA_p/Fe45复合材料冲击性能的影响规律为:在含有单一粒径颗粒的复合材料中,随着ZTA颗粒粒径的增大,ZTA_p/Fe45复合材料的冲击吸收功增大,但复合材料的断裂破坏影响区域的面积增大;含有单一粒径颗粒复合材料的冲击韧性高于含有级配颗粒的复合材料。由于级配颗粒挤嵌的排列方式,导致含有级配粒径颗粒的复合材料内部应力极值最大,复合材料基体出现屈服破坏的概率最大。随着ZTA颗粒体积分数的增大,ZTA_p/Fe45复合材料的加工硬化程度增大,缺陷更早地出现,复合材料的冲击吸收功减小。复合材料基体的应力极值与ZTA颗粒的体积分数无明显关系,但随着颗粒体积分数的降低,颗粒承受的载荷量下降,基体局部出现应力集中区域的面积增大。随着ZTA颗粒体积分数的增加,由于颗粒对冲击载荷的偏转作用,导致复合材料断裂破坏的影响区域面积增大。4.对ZTA_p/Fe45复合材料进行了多尺度冲击性能的模拟,得到的复合材料冲击吸收功随ZTA颗粒粒径和体积分数的变化趋势以及复合材料的断裂形式和破坏影响区域面积与实验吻合较好,然而模拟得到的冲击吸收能量数值偏低,经分析,出现这种情况的原因主要有两点:第一,模拟中采用Mott分布来述基体材料内部的缺陷,复合材料的单元达到极限应力即认为失效,然而所划分单元的体积大于真实复合材料中缺陷的体积,导致模拟中ZTA_p/Fe45复合材料更易出现破坏,因此冲击吸收功偏低;第二,应用Al₂O₃的冲击力学性能近似替代ZTA的性能,由于忽略了ZrO₂的相变增韧效果,低估了复合材料的冲击吸收功。5.在金刚石磨粒微凸体对Al₂O_3p/Fe复合材料进行磨损时,复合材料表面的金属原子随着磨粒微凸体的移动而堆积在微凸体运动方向的前端。上方Al₂O₃颗粒发生的转动和下移避免了磨粒微凸体与Al₂O₃颗粒下面基体原子的直接接触,减少了金属基体的磨损量。随着金刚石磨粒微凸体的水平滑动速度v_x和法向载荷f_z的增加,Al₂O_3p/Fe复合材料的平均摩擦系数呈现出降低的趋势,复合材料的表面粗糙度降低,Al₂O_3p/Fe复合材料的总磨损原子数量整体呈现增加的趋势,复合材料的耐磨性能下降。随着Al₂O₃颗粒体积分数V_f的增大,Al₂O_3p/Fe复合材料的总磨损原子数量呈现先上升后下降的趋势。当V_f为25%时,复合材料的磨损速率最高。当V_f超过25%时,复合材料的磨损速率随V_f的增加而降低。在较大的磨粒微凸体法向载荷f_z下,磨粒对复合材料原子的犁沟效应占据主要的地位;当Al₂O₃颗粒的体积分数V_f较大时,Al₂O₃颗粒对磨粒微凸体的阻碍效应起到主要的作用。本文的宗旨在于,建立通用的理论计算模型,通过多尺度的模拟方法来实现对陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面性能、冲击性能和磨粒磨损性能的预测,并结合实验的结果对理论模型进行修正,以高模型的准确性和实用性,给先进陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究和应用供指导。