脆性大、抗弯强度和断裂韧度低是限制陶瓷刀具应用的主要原因,因此学者们一直在寻找提高其力学性能的方法。传统的陶瓷刀具材料研发主要依靠“试错法”,费时、费力、效率低。快速发展的计算机模拟技术为解决这些问题提供了可能。本文建立了陶瓷刀具材料微观组织的三维Voronoi网格有限元模型,采用内聚力单元法对三维微观裂纹扩展行为进行了模拟。建立了陶瓷刀具材料微观组织的三维Voronoi网格有限元模型,模型考虑了晶粒的复杂几何形状和线弹性各向异性,并通过编写的MATLAB程序将内聚力单元嵌入到模型的晶界和晶粒内,能够满足任意断裂模式和裂纹扩展路径的模拟要求。以单相A1203为例,模拟研究了单相陶瓷刀具材料的三维微观裂纹扩展行为。模拟得到的穿晶断裂时的裂纹扩展路径与实验结果相似,说明模型能较好的模拟单相陶瓷刀具材料的裂纹扩展路径。分析了晶界强度对裂纹扩展路径的影响,模拟结果表明,随着晶界强度的增加,单相A1203的断裂模式逐渐由沿晶断裂转变为穿晶断裂。由模拟结果计算了单相A1203材料模型的抗拉强度和断裂韧度,结果表明,当断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂时,抗拉强度和断裂韧度会有较大幅度的提高。以Al2O3/TiB2为例,模拟研究了复合陶瓷刀具材料三维微观裂纹扩展行为,分析了相界面结合强度对复合陶瓷刀具微观裂纹扩展行为的影响。模拟结果中观察到了微开裂、裂纹钉扎和晶粒桥联等增韧补强机理,说明本文所建立的模型能较好的模拟微观组织与裂纹之间的相互作用。模拟结果表明,随着相界面结合强度的提高,基体和第二相的断裂模式均由沿晶断裂向穿晶和沿晶混合断裂转变,抗拉强度和断裂韧度随之提高。当相界面强度高于基体晶界强度时,第二相对复合陶瓷力学性能提高的作用比较显著。分析了第二相体积含量对复合陶瓷刀具材料力学性能的影响,对比了模拟结果与实验值。材料模型的抗拉强度和断裂韧度随着第二相体积含量的增加而增大,但在界面结合强度较低的相界面强度类型下,抗拉强度和断裂韧度出现了最大值。在相界面结合强度较低时,第二相含量对断裂力学性能的影响不显著。考虑了气孔率对强度的影响,利用经验公式对计算得到的抗拉强度值进行了修正以单相A1203为例,模拟了单相陶瓷刀具材料的残余应力场。模拟得到的残应力按晶粒分布,承受拉应力和压应力的晶粒交替分布。耦合残余应力对裂纹扩展行为进行了模拟,发现由于残余应力削弱部分晶界的结合强度,不利于穿晶断裂的发生,对晶界强度较高时的断裂韧度提高不利；但对于晶界强度较低且未发生穿晶断裂的情况,残余压应力的作用使断裂韧度小幅度提高。以Al2O3/TiB2为例,模拟了复合陶瓷刀具材料的残余应力场,并耦合残余应力对裂纹扩展行为进行了模拟。模拟得到的残余应力场中TiB2晶粒内主要受压应力；对应的基体内则存在较大范围的拉应力区,但在不同的方向上存在一定程度和范围的压应力区。残余应力导致的裂纹钉扎、TiB2相内的压应力场和径向压应力等对相界面的强化作用均有利于提高抗拉强度和断裂韧度。对比分析表明,耦合残余应力后Al2O3/TiB2模型预测的抗拉强度和断裂韧度结果,与已有研究的实验结果变化趋势一致,当TiB2体积含量为30%时抗拉强度和断裂韧度达到最大值,而且其断裂模式与实验结果吻合,均为穿晶和沿晶混合断裂,证明了本模拟结果的正确性。