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陶瓷刀具具有较高的硬度、耐磨性、耐热性,较为适用于难加工材料的高效加工,但现有的陶瓷刀具材料研制方法多以试验为主,可设计性差,特别是烧结过程微观组织结构的设计和优化没有较为系统的指导,使得新型陶瓷刀具材料的开发没有合适的理论指导,也较难获得力学性能理想的陶瓷刀具材料。本文利用元胞自动机模型,考虑了二相粒子、烧结助剂和烧结致密化过程,将烧结过程的主要参数保温时间、烧结温度、烧结压力耦合进元胞自动机模型,进行了Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料烧结过程的模拟,最后通过烧结实验验证了理论分析,结果表明模拟分析的结果与实际烧结实验结果符合很好。以此理论研究为指导结合实验研制了ATN50材料,并在其基础上研制成功了ATCN50b复合陶瓷刀具材料。利用ATCN50b陶瓷刀具进行了高效切削1Crl3马氏体不锈钢的性能研究,结果表明,在高速下刀具寿命和工件加工的表面粗糙度都优于现有的几种复合陶瓷刀具和常用硬质合金刀具。对元胞自动机算法进行了研究,确定了最大取向值对模拟结果的影响,考虑到实际烧结过程中主要参数的影响,将烧结时的保温时间、烧结温度、烧结压力耦合进了元胞自动机模型。基于晶界能与晶界曲率的变化的理论,建立了耦合实际烧结过程主要参数的两相陶瓷刀具材料的元胞自动机模型,实现了Al2O3/TiN两相陶瓷刀具材料烧结过程微观组织结构演变的模拟。研究了烧结过程中的晶粒生长情况,结果表明当烧结温度为1700℃、保温时间为10main或15min、烧结压力为32MPa时,模拟结果的晶粒粒径与尺寸分布良好,能够获得较好的烧结体微观组织结构。与同样工艺下实际烧结制备的Al2O3/TiN陶瓷刀具材料对比发现,烧结体中基体及二相粒子的粒径以及二相粒子的分布情况与用元胞自动机方法模拟的结果吻合。对Al2O3/TiN两相陶瓷刀具材料的元胞自动机模型进行了拓展,考虑随机分布的烧结助剂的影响,建立了含有烧结助剂的Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料的元胞自动机模型并进行了模拟,结果表明添加烧结助剂对细化晶粒有着明显的作用。考虑陶瓷刀具材料烧结致密化过程的情况,建立了含有气孔的Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料的元胞自动机模型,进行了陶瓷刀具材料烧结致密化过程的模拟,分析了同时含有烧结助剂和气孔情况下的晶粒生长情况,结果表明烧结助剂能够有效提高陶瓷刀具材料烧结体的致密度。与实际烧结制备的Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料对比发现,烧结体中基体、二相粒子、烧结助剂和气孔的分布情况与用元胞自动机方法模拟的结果十分吻合。以元胞自动机模拟研究结果为指导,制备了Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料,结果表明当烧结温度为1700℃、保温时间为10min、烧结压力为32MPa时,TiN体积含量为50%的Al2O3/TiN复相陶瓷刀具材料有最佳综合力学性能。在此基础上成功制备了Al2O3/Ti(C,N)基复合陶瓷刀具材料ATCN50b,当烧结温度为1700℃、烧结压力32MPa、保温时间10min时,ATCN50b材料获得最佳综合力学性能,其抗弯强度为910MPa、维氏硬度为20.5GPa、断裂韧性为8.11MPa·m1/2。研究了ATCN50b刀具连续切削1Cr13马氏体不锈钢的切削性能,并与原山东工业大学研制的商用SG-4、LT55复合陶瓷刀具、山东大学研制的AWT10、 A60W4T6、WZ10A复合刀具材料及商用YG8、YT5、TW1硬质合会刀具的切削性能进行了对比研究。在切削深度ap=0.1mm、进给量f=0.1mm/r、切削速度v=100m/min的切削参数下,ATCN50b刀具获得最长切削寿命61min,满足精加工的表面粗糙度要求,刀具寿命是YG8硬质合金刀具寿命的116%,是LT55和SG-4陶瓷刀具寿命的122%,是YW1硬质合金刀具寿命的129%,并且远高于其它对比刀具。在切削速度v=260m/min的切削参数下,ATCN50b刀具寿命接近30min,满足精加工的表面粗糙度要求。刀具寿命是LT55陶瓷刀具寿命的120%,是SG-4陶瓷刀具和YT15硬质合金刀具寿命的129%,并远高于其它对比刀具。研究了ATCN50b刀具的磨损破损形态和主要磨损和破损机理,结果表明,虽然刀具表面有一定的粘结现象发生,但ATCN50b刀具的高温稳定性还是较好的,适合于高效加工1Cr13马氏体不锈钢。