切削大變形對材料微結(jié)構(gòu)及硬度的影響*

吳春凌 葉邦彥 吳波

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

由亞微米級晶粒組成的超細(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.人們在研究SPD法的過程中對中低強(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產(chǎn)生劇烈塑性應(yīng)變,使得批量生產(chǎn)過程變得繁瑣;(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.

文中針對各種金屬和合金,分析了切削過程中刀具前角和切削速度的變化對在切屑上產(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劇烈塑性變形將材料從工件表面切除的過程.圖 1顯示了切削加工的過程及與其相關(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鋼工件獲得切屑來檢驗(yàn)劇烈塑性變形對其微結(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 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有提高,反而出現(xiàn)了下降的趨勢,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“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,本體材料由可見的大晶粒組成,晶粒取向呈無規(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 切削速度對切屑微結(jié)構(gòu)及硬度的影響

對比圖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)變增大,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,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)生動態(tài)回復(fù),其中塑性變形產(chǎn)生的過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,通過熱激活促使位錯(cuò)滑移,導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合、異號位錯(cuò)會聚而相互抵消,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)對合金來說,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,而柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)對溫度極其敏感,切屑溫度的升高消弱了柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)對位錯(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,但對其微結(jié)構(gòu)的影響不大.刀具前角相比切削速度對在切屑上產(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變緩.將切削加工作為一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來獲得切屑微結(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.

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