吳春凌 葉邦彥 吳波

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

由亞微米級(jí)晶粒組成的超細(xì)晶材料通常具有傳統(tǒng)材料所不具備的新穎特性,它除了具有特異的電磁特性[1]外,還具有高硬度、高強(qiáng)度和良好的耐磨性[2-3].眾所周知,金屬和合金在大應(yīng)變變形條件下可以產(chǎn)生細(xì)化的晶粒,其中,劇烈塑性變形(SPD)法由于具有將晶粒細(xì)化到納米量級(jí)并且包含大角度晶界的能力而成為制備納米材料的研究熱點(diǎn)[4-7].現(xiàn)有的SPD法,如等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、累積軋合(ARB)、往復(fù)擠壓(CEC)和高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)等方法均是通過(guò)多次塑性變形的累積使作用在一個(gè)樣本上的累積塑性剪應(yīng)變 ε≥4,每個(gè)變形階段的有效剪應(yīng)變約為1[5].SPD法不僅能產(chǎn)生具有大角度晶界的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)來(lái)改善材料的性能,而且能使整個(gè)樣本具有均一的納米結(jié)構(gòu),從而確保變形材料性能穩(wěn)定.人們?cè)谘芯縎PD法的過(guò)程中對(duì)中低強(qiáng)度金屬和合金的微結(jié)構(gòu)細(xì)化機(jī)理提出了大量的見(jiàn)解,但是,這些SPD法存在明顯的局限性:(1)需要多次塑性變形的累積來(lái)產(chǎn)生劇烈塑性應(yīng)變,使得批量生產(chǎn)過(guò)程變得繁瑣;(2)這種工藝難以使高強(qiáng)度金屬和合金發(fā)生變形;(3)批量生產(chǎn)的成本非常昂貴,阻礙其廣泛應(yīng)用.

采用切削加工的方法,在特定切削條件下產(chǎn)生的切屑可以具有高強(qiáng)度的超細(xì)晶/納米晶結(jié)構(gòu),同時(shí)又能克服SPD法的局限性.超細(xì)晶/納米晶切屑可被研磨成粉末或顆粒,繼而將其合成為致密的具有亞微米結(jié)構(gòu)的塊體材料,也可作為強(qiáng)化劑添加到塑料、低熔點(diǎn)金屬、混凝土或高分子聚合物中制造先進(jìn)的復(fù)合材料,以達(dá)到強(qiáng)化材料的功效.有實(shí)驗(yàn)證實(shí)[8-9],切削加工不僅可以成為一種新的用于研究劇烈塑性變形現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)技術(shù),同時(shí)也是一種大批量、低成本生產(chǎn)超細(xì)晶/納米晶材料的新工藝.

文中針對(duì)各種金屬和合金,分析了切削過(guò)程中刀具前角和切削速度的變化對(duì)在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變、切屑的微結(jié)構(gòu)及硬度的影響規(guī)律.研究了形成具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)和高硬度切屑材料所需的切削條件,并探討了切削速度對(duì)切屑硬度的影響機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)條件

切削加工是使用刀具通過(guò)劇烈塑性變形將材料從工件表面切除的過(guò)程.圖 1顯示了切削加工的過(guò)程及與其相關(guān)的幾何參數(shù).為了滿足平面應(yīng)變狀態(tài),要求切削刃垂直于切削速度 v0,并且切削寬度 aw遠(yuǎn)大于切削厚度 a0.實(shí)驗(yàn)采用高速鋼刀具切削加工紫銅、Al6061和1020鋼工件獲得切屑來(lái)檢驗(yàn)劇烈塑性變形對(duì)其微結(jié)構(gòu)和硬度的影響.切削厚度選為0.2mm,切削寬度為3.5mm.在0.052、0.136和0.377m/s 3種速度下分別采用 30°、20°和 -20°前角的刀具進(jìn)行切削加工,從而檢驗(yàn)切削速度和刀具前角對(duì)在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變、切屑的微結(jié)構(gòu)及硬度的影響.

圖1 平面應(yīng)變切削示意圖Fig.1 Schematic diagram of p lane strain machining

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具前角和切削速度對(duì)切屑剪應(yīng)變及硬度的影響

在單一剪切平面模型中,作用在變形區(qū)域上的剪應(yīng)變?yōu)?/p>

式中:γ0為刀具前角;變形系數(shù) ξ為切屑厚度 ac與切削厚度a0之比.

測(cè)量各種切削條件下產(chǎn)生的切屑厚度,計(jì)算其變形系數(shù),并帶入式(1)估算切屑的剪應(yīng)變.由實(shí)驗(yàn)可知,變形系數(shù)隨著刀具前角的減小和切削速度的降低而增大,計(jì)算結(jié)果證實(shí)了在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變隨著刀具前角的減小和切削速度的降低而增大.

圖2給出了加工Al6061、紫銅和 1020鋼3種材料時(shí),刀具前角和切削速度對(duì)切屑硬度的影響規(guī)律.顯然,在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變和切屑硬度隨著刀具前角的減小和切削速度的降低而增大,越大的負(fù)前角刀具產(chǎn)生的切屑具有越高的剪應(yīng)變和硬度.當(dāng)切削速度同為0.052m/s,而刀具前角分別為 30°和 -20°時(shí), Al6061切屑維氏硬度分別為 135和 154kg/mm2,紫銅切屑維氏硬度分別為146和168 kg/mm2,1020鋼切屑維氏硬度分別為338和370kg/mm2.

圖2 刀具前角和切削速度對(duì) Al6061、紫銅和 1020鋼切屑硬度的影響Fig.2 Effects of tool rakeangles and cutting velocities on hardness of chips for Al6061,red copper and 1020 steel respectively

刀具前角相比切削速度對(duì)在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變和切屑硬度具有更加重要的影響.隨著切削速度的提高,切屑的硬度變化趨于平坦;在刀具前角減小而切削速度提高到 0.377m/s的情況下,切屑的剪應(yīng)變雖然增大但是硬度不僅沒(méi)有提高,反而出現(xiàn)了下降的趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1所示[10].

表1 Al6061、紫銅和1020鋼切屑硬度的比較Table 1 Comparison of hardness of chips among Al6061,red copper and 1020 steel

此外,實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),在平面應(yīng)變切削條件下,正前角刀具加工的切屑通常為卷曲狀,而負(fù)前角刀具加工的切屑則多為碎片狀;當(dāng)采用前角為-20°的刀具進(jìn)行切削時(shí),紫銅通過(guò)切屑刃的擠壓使其在本體前堆積,形成比本體直徑更大的薄壁環(huán),如圖 3所示.以高于0.377m/s的切削速度加工1020鋼時(shí),切屑表現(xiàn)為藍(lán)色,而其它切削速度下切屑的顏色接近于本體材料.

圖3 不同切削參數(shù)下的切屑形態(tài)Fig.3 Shape of chips under differentmachining parameters

2.2 切屑的微結(jié)構(gòu)

顯然,采用負(fù)前角刀具在較低的切削速度下能加工出高硬度的切屑材料,這是由于切削加工過(guò)程中,采用負(fù)前角刀具使材料在第一變形區(qū)受到了更大的集中剪切而發(fā)生大剪切變形,從而在切屑上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變,使其具有較高的硬度.

圖4是通過(guò)“快?！睂?shí)驗(yàn)獲取的紫銅根部切屑樣本的微結(jié)構(gòu)圖,其中γ0=-20°,v0=0.052m/s.從圖 4中可知,本體材料由可見(jiàn)的大晶粒組成,晶粒取向呈無(wú)規(guī)則分布,而切屑的微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為流線形狀.本體和切屑之間微結(jié)構(gòu)的突變發(fā)生在一個(gè)狹窄的區(qū)域內(nèi),這個(gè)區(qū)域即剪切面.圖 4中,168和 76分別代表切屑和本體的平均維氏硬度,kg/mm2,越過(guò)剪切面從本體到切屑的硬度顯著增加.

圖4 紫銅切削根部的微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of partially detached red copper chip

圖5顯示了 1020鋼本體及切屑在不同剪應(yīng)變條件下的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖.圖5(a)所示的本體材料是由較大的等軸晶粒組成的,晶粒的取向呈無(wú)規(guī)則分布;圖5(b)～(d)顯示了在不同的前角切削條件下,切屑產(chǎn)生不同的剪應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu).顯然,當(dāng)前角為 30°和 20°時(shí),切屑材料的晶粒發(fā)生了一定的細(xì)化,部分晶粒的取向趨于一致,而這兩種切屑的微結(jié)構(gòu)和硬度差別并不大.然而,當(dāng)前角為 -20°時(shí),切屑產(chǎn)生了較大的剪應(yīng)變,其晶粒被顯著地拉長(zhǎng)并發(fā)生明顯細(xì)化,而且晶粒的取向有序化,其硬度也得到了明顯提高.

圖5 1020鋼本體及切屑在不同剪應(yīng)變條件下的光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.5 Opticalm icrographs of 1020 steel and chips at different levels of shear strain

2.3 切削速度對(duì)切屑微結(jié)構(gòu)及硬度的影響

對(duì)比圖6(a)和(b)可知,隨著刀具前角的減小,在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變?cè)龃?微結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)化,而當(dāng)速度提高到 0.377m/s時(shí),切屑的硬度卻有所降低.圖6(b)和(c)顯示了前角同為-20°時(shí),切削速度的降低增加了在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變,提高了切屑的硬度,然而卻沒(méi)有明顯細(xì)化切屑的微結(jié)構(gòu).在另外兩種材料中也觀察到這一現(xiàn)象.這是因?yàn)?(1)切屑變形溫度的提高使得金屬原子熱振動(dòng)的振幅增大,滑移阻力減小,新的滑移不斷產(chǎn)生;同時(shí)增加了非晶擴(kuò)散機(jī)理和晶間黏性流動(dòng),降低了變形阻力和切屑硬度;(2)切削速度的提高增加了剪切面和刀-屑接觸區(qū)的溫度,從而使切屑材料的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),其中塑性變形產(chǎn)生的過(guò)量空位和間隙原子結(jié)合,空位和位錯(cuò)交互作用使得空位的數(shù)量減少,通過(guò)熱激活促使位錯(cuò)滑移,導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合、異號(hào)位錯(cuò)會(huì)聚而相互抵消,促使位錯(cuò)密度減小,從而降低了變形阻力并減輕了塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化;(3)對(duì)合金來(lái)說(shuō),溶質(zhì)原子在晶體刃型位錯(cuò)附近偏聚分布釘扎位錯(cuò)形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán),阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),而柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)對(duì)溫度極其敏感,切屑溫度的升高消弱了柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎,促使位錯(cuò)密度降低、變形阻力減小和切屑硬度降低.

圖6 不同刀具前角和切削速度下Al6061切屑的光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.6 Op tical micrograph of Al6061 chips at various cutting velocities and different tool rake angles

2.4 切屑材料與本體材料的硬度比較

圖7比較了Al6061、紫銅和1020鋼本體材料和切屑的維氏硬度.切屑的維氏硬度值取實(shí)驗(yàn)中不同的切削條件下產(chǎn)生的各類切屑樣本中的最大平均維氏硬度值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,切屑樣本相比本體具有更高的硬度.Al6061切屑硬度高出本體樣本44%,而紫銅和1020鋼切屑硬度分別高出121%和 85%.此外,測(cè)量結(jié)果同時(shí)也顯示了切屑硬度呈各向異性.

圖7 Al6061、紫銅和1020鋼的本體與切屑硬度的比較Fig.7 Comparison of hardness between the bulk and chips for Al6061,red copper and 1020 steel

3 結(jié)論

切削加工紫銅、Al6061和 1020鋼時(shí),在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變隨著刀具前角的減小而增大,切屑的微結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化,其硬度得到了極大的提高;切削速度的減小增加了在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變,提高了切屑的硬度,但對(duì)其微結(jié)構(gòu)的影響不大.刀具前角相比切削速度對(duì)在切屑上產(chǎn)生的剪應(yīng)變、切屑的微結(jié)構(gòu)及其硬度具有更加重要的影響,采用負(fù)前角刀具在較低的切削速度下能加工出具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)和高硬度的切屑材料,而切削速度的提高使大剪切變形引起的切屑硬度增長(zhǎng)變緩.將切削加工作為一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)獲得切屑微結(jié)構(gòu)的改變和硬度的提高的可行性已經(jīng)得以證實(shí).然而,有關(guān)超細(xì)晶切屑材料的強(qiáng)化機(jī)制和強(qiáng)化極限有待進(jìn)一步研究.

[1] Gleiter H.Nanocrystallinematerials[J].Progress in Materials Science,1989,33(4):223-315.

[2] Nieman GW,Weertman JR,Siegel RW.Mechanicalbehavior of nanocrystalline Cu and Pd[J].Materials Research,1991,6(5):1012-1027.

[3] Birringer R.Nanocrystallinematerials[J].Materials Science and Engineering:A,1989,117:33-43.

[4] Langford G,Cohen M.Stain hardening of iron by severe p lastic deformation[J].ASM-Trans,1969,62(33):623-638.

[5] Segal V M,Reznikov V I,Drobyshevskiy A E,et al.Plastic metalworking by simp le shear[J].Russ Metall,1981 (1):115-123.

[6] Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov IV.Bu lk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]. Progress in Materials Science,2000,44(2):103-189.

[7] Humphreys F J,Prangnell P B,Bowen JR,et al.Developing stable fine-grain microstructures by large strain deformation[J].Philosphical Transactions:Deformation Processing ofMetals,1999,357(1756):1663-1681.

[8] Travis L Brown,Swanminathan S,Srinivasan Chandrasekar,et al.Low-cost manufacture process for nanostructured metals and alloys[J].Materials Research Society, 2002,17(10):2484-2488.

[9] Swam inathan S,Shankar M R,Lee Seongyl,et al.Large strain deformation and ultrafine grained materials by machining[J].Materials Science and Engineering:A,2005, 410/411:358-363.

[10] Wu C L,Ye B Y,DengW J.Effectofmachining parameters on microstructure and hardness of ultra-fine grained material created by large strain machining[C]∥Materials Science Forum.Switeriand:Trans Tech Publications,2009:387-392.