姜軍強(qiáng)，梁桂強(qiáng)，孫立輝，董中奇

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

（2.大理大學(xué) 工程學(xué)院，云南 大理 671000）

（3.北京領(lǐng)航科工教育科技有限公司，北京 100084）

（4.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，石家莊 050000）

（5.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 材料工程系，石家莊 050000）

γ-TiAl合金作為一種新型高溫合金材料，其密度低、比強(qiáng)度高，成為最具潛力取代鎳基合金的高溫輕質(zhì)合金材料，并在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。工件表面質(zhì)量和亞表層損傷，對(duì)工件的抗疲勞、蠕變和可靠性具有重要影響，是評(píng)價(jià)工件性能的重要指標(biāo)之一[2-3]。因此，許多研究人員致力于研究切削工藝參數(shù)與表面質(zhì)量之間的關(guān)系[4]。ANWAR等[5]采用涂層和未涂層刀具，通過(guò)試驗(yàn)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)γ-TiAl工件表面光潔度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨著切削速度增加呈現(xiàn)先輕微減小后增大的趨勢(shì)，并隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加而增大。CHENG等[6]在對(duì)γ-TiAl進(jìn)行車(chē)削時(shí)，發(fā)現(xiàn)切削速度為50 m/min，進(jìn)給量不超過(guò)0.1 mm/r，切深不超過(guò)0.3 mm時(shí)，加工表面質(zhì)量較好。

由于計(jì)算能力的顯著提升和粒子間相互作用原始結(jié)構(gòu)的確定[7]，分子動(dòng)力學(xué)（molecular dynamics, MD）模擬的研究中發(fā)現(xiàn)：在(110)面上的[10]方向上加工成為一種有效的原子尺度范圍的模擬方法。過(guò)去幾十年，許多學(xué)者應(yīng)用MD模擬對(duì)納米切削做了大量工作[8]。LIU等[9]利用MD研究了單晶銅納米切削中正四面體堆垛層錯(cuò)的演變過(guò)程，結(jié)果表明正四面體堆垛層錯(cuò)是導(dǎo)致工件加工硬化的主要原因之一。GUO等[10]依據(jù)分子動(dòng)力學(xué)研究了納米切削單晶銅(100)表面時(shí)的加工過(guò)程，結(jié)果表明采用相對(duì)較高的切削速度時(shí)工件內(nèi)部的缺陷損傷相對(duì)較少，有利于獲得較高的加工表面質(zhì)量。SHIMADA等[11]證實(shí)采用相對(duì)較高的切削速度進(jìn)行納米切削模擬時(shí)，對(duì)表面粗糙度和變形層深度的影響較小。TO等[12]發(fā)現(xiàn)在加工{100}面單晶鋁時(shí)可以獲得最佳表面光潔度。REN等[13]在對(duì)單晶鎳納米磨削時(shí)，表面凸起高度最小；在(1 11)面上磨削時(shí)，亞表面變形層深度相對(duì)較小。

以上研究主要集中于單元素晶體材料納米切削時(shí)的表面質(zhì)量和亞表層損傷，而對(duì)于合金材料納米切削時(shí)的表面質(zhì)量和亞表層損傷的研究較少。因此，以MD理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行單晶γ-TiAl合金納米切削加工表面質(zhì)量和亞表層損傷的研究，分析不同加工工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量和亞表層損傷的影響規(guī)律。

1 MD切削模型與計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

納米切削模型由單晶γ-TiAl合金和非剛性金剛石刀具組成，γ-TiAl包含110 000個(gè)原子，模型沿X軸[100]、Y軸[010]、Z軸[001]方向的大小分別為18 nm×10 nm×10 nm，刀具包含9 441個(gè)原子。模型中刀具和工件都包含固定層、恒溫層以及牛頓層：固定層防止切削過(guò)程中工件發(fā)生剛性位移；恒溫層與外界進(jìn)行熱量交換；牛頓層的原子遵循牛頓第二定律，可動(dòng)態(tài)追蹤切削過(guò)程中原子運(yùn)動(dòng)軌跡并計(jì)算所需的各種物理量。周期性邊界條件施加在Y方向，以消除尺寸效應(yīng)。納米切削γ-TiAl合金模型如圖1所示。

圖1 納米切削γ-TiAl合金模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of nano-cutting γ-TiAl alloy model

1.2 勢(shì)函數(shù)

MD模擬中一般選用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)，通過(guò)勢(shì)能對(duì)原子間距求導(dǎo)獲取原子間相互作用力Fij，見(jiàn)式（1）。

式 中：Fij為原子間相互作用力，Uij為勢(shì)能函數(shù)，rij為原子i與原子j之間的距離。

確定粒子間作用力后，求解牛頓方程獲取粒子的下一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了加速求解牛頓方程，使用velocity-verlet實(shí)現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)的更新[14]。在模擬中選用3種勢(shì)函數(shù)描述原子間相互作用。DAW等[15]提出的嵌入原子法(embedded atom method，EAM)在模擬計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)方面具有較高精度，因此采用EAM勢(shì)函數(shù)計(jì)算工件原子間相互作用，計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：Utot是系統(tǒng)能量，φi,j是原子i和原子j之間的對(duì)勢(shì)，F(xiàn)i是 原子i的嵌入能，rij是原子i與原子j之間的距離，ρi是原子i以外的其他原子在i原子上產(chǎn)生的電子云密度之和，ρj表示原子j在原子i產(chǎn)生的電子云密度。

采用Morse勢(shì)函數(shù)來(lái)計(jì)算Al–C和Ti–C之間的相互作用，Morse勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[16]：

式中：U表示對(duì)勢(shì)能，D0是原子結(jié)合能，α表示彈性模量，r0表示原子i與原子j之間的平衡距離。

Tersoff勢(shì)函數(shù)適合于描述共價(jià)鍵體系原子間相互作用，常被用來(lái)計(jì)算納米切削中金剛石刀具原子間相互作用力，其表達(dá)式如下[17]：

式中：U表示總能量，fc表示截?cái)嗪瘮?shù)，fR表示排斥項(xiàng)，fA表 示吸引項(xiàng)，bij表示調(diào)制函數(shù)，A和B分別表示吸引項(xiàng)、排斥項(xiàng)的結(jié)合能，λ，μ表示吸引項(xiàng)、排斥項(xiàng)勢(shì)能曲線(xiàn)梯度系數(shù)，R，D表示截?cái)辔恢煤蛯挾?，β表示鍵級(jí)系數(shù)，ζ表示角勢(shì)能，θ表示鍵角，c，d，h表示彈性常數(shù)。

所有模擬均依托開(kāi)源軟件Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS)[18]，模擬結(jié)果通過(guò)開(kāi)源軟件的Open Visualization Tool(OVITO)[19]進(jìn)行后處理分析。首先，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行能量最小化消除建模過(guò)程中的不確定性；其次，系統(tǒng)通過(guò)Nose-Hoover弛豫控制以獲取300 K平衡溫度；最后，在切削過(guò)程中，牛頓層選取NVE系綜，時(shí)間步長(zhǎng)選擇1 fs。表1列出了MD模擬中所用參數(shù)，采用的勢(shì)函數(shù)為EAM MorseTersoff，刀具為金剛石刀具，切削方向?yàn)?0 0 1)面上的[0 0]方向。

表1 納米切削γ-TiAl合金模擬參數(shù)Tab.1 Simulation parameters for nanomachining of γ-TiAl

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌與表面粗糙度

圖2為不同切削速度下切屑表面形貌。其中，切削深度為0.5 nm，切削距離為15.0 nm，依據(jù)原子Z向堆積高度賦予原子顏色值。從圖2中看出：切削速度增加會(huì)導(dǎo)致刀具前端堆積的切屑原子體積增大。切削距離增加會(huì)導(dǎo)致工件內(nèi)部產(chǎn)生晶格缺陷，誘發(fā)位錯(cuò)形核，該過(guò)程中大量位錯(cuò)形核并沿(111)滑移面滑移[20]。從圖2中還可以看出：當(dāng)切削速度超過(guò)100 m/s時(shí)，刀具前端切屑體積只發(fā)生了輕微增大。這表明γ-TiAl的材料加工效率在切深一定時(shí)隨著切削速度的增加會(huì)達(dá)到臨界值。這主要是因?yàn)榍邢魉俣仍黾?，使得工件溫度和?shì)能增加，高溫不可避免地會(huì)降低晶體的結(jié)合鍵能。因此，隨著切削速度的增加，材料加工效率得到提升。由于材料的塑性變形的傳播以及晶格振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源慣性作用的有限性，隨著切削速度的增加，材料加工效率達(dá)到臨界值。

圖2 切削速度對(duì)表面形貌的影響Fig.2 Influence of cutting speeds on surface morphology

圖3為切削速度50 m/s時(shí)，切深對(duì)刀具前端切屑堆積的影響。從圖3中可以看出：隨著切深的增加，堆積在刀具前端的切屑原子數(shù)和堆積高度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。這主要是切深增加導(dǎo)致刀具與工件的接觸面積增大，刀具對(duì)工件做的功增大，使得刀具前端更多的原子鍵斷裂形成切屑。加工參數(shù)對(duì)表面形貌的影響與先前研究結(jié)論一致[20-21]，即材料加工效率隨著切削深度的增加而得到提升，隨著切削速度的增加在一定程度上也得到提升，但存在切削速度臨界值（即切削速度增加對(duì)加工效率的影響程度存在界限）。

圖3 切深對(duì)刀具前端切屑堆積的影響Fig.3 Influence of cutting depths on chip accumulation at the front of the tool

表面粗糙度是評(píng)價(jià)表面質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)之一[22-23]。在納米切削中，刀具和工件作用處產(chǎn)生位錯(cuò)，部分位錯(cuò)穿透工件向下運(yùn)動(dòng)，刀具通過(guò)后位錯(cuò)回彈在工件表面形成原子臺(tái)階，原子臺(tái)階的高度稱(chēng)為表面粗糙度[11]。由于γ-TiAl工件表面均勻平整，采用表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra表征加工表面粗糙度，計(jì)算公式表述為[24]：

式中：lr是采樣長(zhǎng)度，yi表示采樣點(diǎn)偏離平均平面的高度。

相比于二維表面粗糙度參數(shù)，三維表面粗糙度參數(shù)更加綜合和精確反應(yīng)已加工表面輪廓。因此，采用評(píng)估表面輪廓的三維表面粗糙度參數(shù)Rq來(lái)計(jì)算表面粗糙度，計(jì)算公式為[24]：

圖4為加工參數(shù)對(duì)已加工表面粗糙度的影響。圖4a中切削速度分別為50，100，150，200 m/s，切深為0.5 nm。圖4b中切削深度分別為0.5，1.0，1.5 nm，切削速度為50 m/s。圖4a表明：隨著切削速度的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)出了先減小后增大的趨勢(shì)，從50 m/s到150 m/s時(shí)，Ra和Rq連續(xù)減小，但100 m/s時(shí)的表面粗糙度與150 m/s時(shí)的相差不大。這表明納米切削γ-TiAl存在切削速度臨界值，即切削速度增加對(duì)表面粗糙度的影響程度存在界限，這與圖2結(jié)果一致。當(dāng)切削速度增加時(shí)，表面粗糙度減小的原因在于表面粗糙度與位錯(cuò)緊密相關(guān)。切削速度增加，原子重排時(shí)間變短，位錯(cuò)未來(lái)得及穿透工件向下運(yùn)動(dòng)就以原子團(tuán)簇的形式形成切屑被去除。隨著切削速度的繼續(xù)增加，表面粗糙度增大的原因在于切削速度的增加導(dǎo)致溫度和動(dòng)能增加，高溫導(dǎo)致工件原子的成鍵能力弱化，同時(shí)會(huì)造成刀具磨損，進(jìn)而導(dǎo)致黏附效應(yīng)增強(qiáng)，因此表面粗糙度增大[10]。從圖4b中可以發(fā)現(xiàn)：切削深度的增加導(dǎo)致表面粗糙度的顯著增大，這是由于切深增加，應(yīng)力增大以及單原子的切削厚度增加，應(yīng)力增大引起位錯(cuò)發(fā)射進(jìn)而導(dǎo)致表面粗糙度增大。與圖4a對(duì)比發(fā)現(xiàn)，切深對(duì)表面粗糙度的影響程度大于切削速度。AL-AHMARI等[25]在對(duì)γ-TiAl合金宏觀(guān)切削時(shí)，發(fā)現(xiàn)切削速度增加，表面粗糙度呈現(xiàn)出了先減小后增大趨勢(shì)，且切深對(duì)于表面粗糙度影響要大于切削速度的。

圖4 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of machining parameters on surface roughness

2.2 靜水壓

在納米切削中，刀具和工件的復(fù)雜相互作用，使得工件內(nèi)部存在高壓應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力的存在與位錯(cuò)形核和發(fā)射密切相關(guān)。離散狀態(tài)下的原子應(yīng)力狀態(tài)采用維里應(yīng)力進(jìn)行表征，原子維里應(yīng)力由公式（14）計(jì)算得出[26]。

將計(jì)算得到的維里應(yīng)力值代入公式（15）得到工件內(nèi)部的靜水壓分布[27]。

式中： σhy(i) 為原子i的靜水壓，σxx(i)、 σyy(i)、 σzz(i)分別為原子i沿xx、yy、zz方向的應(yīng)力。

圖5為不同切削速度和切深下的工件靜水壓分布狀態(tài)。圖5a、圖5b、圖5c、圖5d分別表示切深為0.5 nm，切削距離為9.0 nm，切削速度為50，100，150，200 m/s時(shí)的工件內(nèi)部靜水壓分布，圖5e、圖5f分別表示在切削速度為50 m/s，切削距離為9.0 nm，切深為1.0，1.5 nm時(shí)的工件的靜水壓分布。

圖5 不同切削速度和切深下的工件靜水壓分布狀態(tài)Fig.5 State of hydrostatic pressure distribution in the workpiece at different cutting speeds and cutting depths

從圖5中可以看出：高靜水壓位于與刀尖圓弧接觸的區(qū)域，工件靜水壓以切屑根部為中心，呈同心扇形狀向工件和切屑內(nèi)部梯度遞減分布。從圖5a、圖5b、圖5c、圖5d可以發(fā)現(xiàn)：切屑根部與刀尖圓弧接觸區(qū)域的壓縮靜水壓的幅值和面積隨著切削速度的增加而增大。從圖5a、圖5e、圖5f可以發(fā)現(xiàn)：隨著切深的增加，切屑根部的高壓縮靜水壓的幅值和面積都表現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。HOSSEINI等[27]在對(duì)晶體銅進(jìn)行納米切削時(shí)發(fā)現(xiàn)：工件內(nèi)部最高壓縮靜水壓位于切屑根部，并且呈圓弧形散射到工件內(nèi)部，并梯度遞減 ，該結(jié)果與本研究具有一致性。

2.3 位錯(cuò)與相變

納米切削中，高溫高壓減小了位錯(cuò)形核及發(fā)射的能量勢(shì)壘，導(dǎo)致位錯(cuò)損傷產(chǎn)生，對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響[9]。圖6a、圖6b、圖6c、圖6d分別表示切深在1.0 nm，切削距離為11.2 nm，切削速度為50，100，150，200 m/s時(shí)，工件內(nèi)部位錯(cuò)線(xiàn)分布情況；圖6e、圖6f分別表示在切削速度為50 m/s，切深為0.5，1.5 nm時(shí)工件的位錯(cuò)線(xiàn)分布。圖6中顏色依據(jù)計(jì)算的位錯(cuò)提取分析DXA值，其中紅色線(xiàn)是Other位錯(cuò)，粉紅色線(xiàn)是Stairrod位錯(cuò)，綠色線(xiàn)是Shockley位錯(cuò)，黃色線(xiàn)是Hirth位錯(cuò)，深藍(lán)色線(xiàn)是Perfect位錯(cuò)，淺藍(lán)色線(xiàn)是Frank位錯(cuò)。

從圖6a可以看出：位錯(cuò)主要分布在刀具前方和下方，另外在刀具前方沿0]方向也存在位錯(cuò)分布。沿方向分布的2個(gè)Shockley不全位錯(cuò)相互作用生成一個(gè)全位錯(cuò)Perfect。從圖6a還可以看出：刀具下方存在Shockley不全位錯(cuò)、Frank部分位錯(cuò)、Stair-rod位錯(cuò)以及Other位錯(cuò)。Frank部分位錯(cuò)是由一系列位錯(cuò)反應(yīng)生成的[28]。Stair-rod位錯(cuò)難于移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生釘扎效應(yīng)導(dǎo)致加工硬化產(chǎn)生[29]。對(duì)照?qǐng)D6a、圖6b、圖6c、圖6d發(fā)現(xiàn)，Shockley不全位錯(cuò)在位錯(cuò)機(jī)制中占主導(dǎo)地位。這是由于不全位錯(cuò)形成所在的(111)面是一個(gè)壓縮面，在相對(duì)較小的剪切應(yīng)力作用下便可滑動(dòng)。隨著切削速度的增加，工件內(nèi)部的位錯(cuò)類(lèi)型復(fù)雜程度降低，位錯(cuò)密度呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谇邢魉俣刃∮谒苄圆ㄔ诓牧现械膫鞑ニ俣葧r(shí)，形核后的位錯(cuò)有充足的時(shí)間和能量進(jìn)行位錯(cuò)滑移和相互作用，形成復(fù)雜位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；而在高速切削時(shí)，位錯(cuò)形核后未來(lái)得及充分發(fā)展便發(fā)生湮滅。為定量化對(duì)照不同切削速度下工件內(nèi)部位錯(cuò)密度差異，采用位錯(cuò)密度式（16）計(jì)算工件內(nèi)部位錯(cuò)密度[30]。

圖6 不同切削速度和切深下的工件內(nèi)部的位錯(cuò)分布Fig.6 Dislocation distribution in the workpiece at different cutting speeds and cutting depths

式中：ρ為位錯(cuò)密度，∑L表示位錯(cuò)線(xiàn)長(zhǎng)度，V為體積。計(jì)算得到切削速度為50，100，150，200 m/s時(shí)的位錯(cuò)密度分別為1.336%，0.566%，0.376%，0.279%。

從圖6a、圖6e、圖6f看出：在相同切削速度下，隨著切削深度的增加，工件內(nèi)部的位錯(cuò)數(shù)量、位錯(cuò)類(lèi)型復(fù)雜程度以及位錯(cuò)長(zhǎng)度都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)榍猩钤黾訉?dǎo)致工件高溫區(qū)域擴(kuò)大，刀工接觸時(shí)間增長(zhǎng)，位錯(cuò)形核和發(fā)射的能量勢(shì)壘降低，工件原子獲得足夠多的變形能，位錯(cuò)有更多的時(shí)間進(jìn)行發(fā)射和相互作用。通過(guò)式（16）定量計(jì)算0.5，1.5 nm切深下工件內(nèi)部的位錯(cuò)密度分別為0.621%，2.429%。

圖7a、圖7b、圖7c、圖7d 分別表示切深為1.0 nm，切削速度為50 m/s，切削距離為1.3，6.0，6.8，15.0 nm時(shí)的工件內(nèi)部缺陷損傷，采用的是EAM勢(shì)函數(shù)。圖7中顏色依據(jù)計(jì)算得到的共近鄰分析CNA(common neighbor analysis)值進(jìn)行染色，CNA依據(jù)特定原子對(duì)成鍵和近鄰原子列表信息識(shí)別材料缺陷及局部晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其中白色代表非晶態(tài)原子包括表面原子、位錯(cuò)原子和空位原子，藍(lán)色代表CNA值為2的體心立方晶格（BCC）原子，紅色表示CNA值為3的密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）原子。為清晰觀(guān)察，刪除了CNA值為1的面心立方晶格原子。從圖7a可以看出：初始切削階段由于刀具對(duì)工件的剪切擠壓作用，迫使工件發(fā)生相變，由面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC和HCP以及其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并在(111)面上產(chǎn)生內(nèi)稟堆垛層錯(cuò)。其產(chǎn)生的來(lái)源在于Shockley不全位錯(cuò)在(111)上形核后的增殖擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)，堆垛層錯(cuò)的出現(xiàn)增加了刀具的進(jìn)給力和工件抗應(yīng)變能力以及塑性變形程度。圖7b中，刀具前方45o方向存在V形位錯(cuò)環(huán)和梯桿位錯(cuò)。V形位錯(cuò)的產(chǎn)生是由于2個(gè)不全位錯(cuò)形核后沿著各自的伯格斯矢量增殖擴(kuò)展，發(fā)生相遇相互阻礙而形成的位錯(cuò)鎖[31]。梯桿位錯(cuò)是位錯(cuò)形核增殖過(guò)程中，由1層或幾層原子缺失或錯(cuò)動(dòng)而形成帶有臺(tái)階的線(xiàn)性位錯(cuò)缺陷[29]。隨著刀具的繼續(xù)切削到圖7c時(shí)，在刀具的持續(xù)作用下刀具前方的梯桿位錯(cuò)和V形位錯(cuò)結(jié)構(gòu)被破壞，形成穩(wěn)定的空位缺陷和原子團(tuán)簇殘留在工件內(nèi)部，這表明刀具持續(xù)作用的能量大到足以克服抗塑性變形能。從圖7d可以看出：切削進(jìn)入到后期階段時(shí)，刀具對(duì)變質(zhì)層的影響相對(duì)較小，刀具過(guò)后由于工件的弛豫使得工件內(nèi)部部分彈性變形得以恢復(fù)和部分晶格重構(gòu)，導(dǎo)致工件內(nèi)部位錯(cuò)形核幅度減小以及工件內(nèi)部缺陷大部分湮滅，同時(shí)在亞表層殘留一些穩(wěn)定的空位和原子團(tuán)簇缺陷損傷影響材料性能及殘余應(yīng)力。從圖7中還發(fā)現(xiàn)：已加工表面處非晶原子排列紊亂并未呈現(xiàn)規(guī)則狀態(tài)，且非晶原子占據(jù)了結(jié)構(gòu)相變?cè)拥慕^大部分比例。因此非晶原子數(shù)目一定程度上表明了結(jié)構(gòu)塑性變形的程度。計(jì)算切削距離為15.0 nm，切深為1.0 nm，切削速度為50，100，150，200 m/s時(shí)的非晶原子數(shù)目分別為4 711，5 242，5 314，5 696。計(jì)算切削距離為15.0 nm，切削速度為50 m/s，切深為0.5，1.0，1.5 nm時(shí)的非晶原子數(shù)目分別為3 090，4 711，5 648。計(jì)算結(jié)果表明隨著切削速度和切深的增加，工件塑性變形程度展現(xiàn)出同步遞增趨勢(shì)。

圖7 切削加工中缺陷演化過(guò)程Fig.7 Evolution of defects in the workpiece during cutting process

3 結(jié)論

以分子動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)研究了不同切削速度和切深對(duì)非剛性金剛石刀具納米切削γ-TiAl合金表面質(zhì)量和亞表層損傷的影響，并得到以下結(jié)論：

（1）切削速度增加，切屑體積增大和材料加工效率提升，但存在切削速度為100 m/s時(shí)的臨界值。表面粗糙度隨著切削速度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且切削速度對(duì)表面粗糙度的影響存在切削速度為100 m/s時(shí)的臨界值。切深增加切屑體積增大，材料加工效率提升，表面粗糙度顯著增大。

（2）高靜水壓位于切屑根部與刀尖圓弧接觸區(qū)域，呈同心扇狀向工件和切屑內(nèi)部梯度遞減分布。隨著切削速度和切深的增加，高壓縮靜水壓的幅值和面積都表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。

（3）Shockley不全位錯(cuò)在位錯(cuò)機(jī)制中占主導(dǎo)地位, 切削過(guò)程中存在V形位錯(cuò)以及梯桿位錯(cuò)，并且在切削完成后，工件內(nèi)部存在空位和原子團(tuán)簇等穩(wěn)定缺陷。隨著切削速度的增加，位錯(cuò)類(lèi)型的復(fù)雜程度降低，位錯(cuò)密度呈減小趨勢(shì)，不過(guò)切深的增加卻導(dǎo)致相反趨勢(shì)；切削速度和切深增加，非晶原子數(shù)增多，塑性變形程度增加。