Ti6Al4V合金切削過程微觀組織演化分析*

徐江毅，王 萌，周 滔，何 林，2，趙先鋒

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

鈦合金具有比強度高、耐熱性好、耐腐蝕性好、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)良特性而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車發(fā)動機、船舶行業(yè)[1]，傳熱性差、彈性模量小[2]使其在加工過程中易產(chǎn)生高溫高應(yīng)變率。國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金的切削加工及表面完整性進(jìn)行了大量的研究，目前晶粒細(xì)化預(yù)測模型存在多種樣式，如Zener-Hollomon參數(shù)模型[3]、Kocks-Mechking位錯密度模型[4]、Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)動態(tài)再結(jié)晶模型[5]。王升平[6]研究了Ti6AL4V鈦合金在不同切削速度下鋸齒形切屑的絕熱剪切帶的微觀組織形貌和顯微硬度。張為等[7]研究了在不同切削速度下鈦合金Ti6Al4V車削加工的表面硬化機理。Venkatachalam等[8]提出了一個基于物理的連續(xù)介質(zhì)流動應(yīng)力模型來解釋晶粒尺寸和位錯密度效應(yīng)，但是沒有明確提供晶粒尺寸演化模型。Arsoy Y M等[9]采用基于JMAK的DEFORM 3D模型對車削Ti-6Al-4V過程進(jìn)行相變和晶粒尺寸計算，同時也對顯微硬度進(jìn)行了研究。Moussaoui K等[10]研究了銑削Ti-6Al-4V對顯微硬度和顯微結(jié)構(gòu)的影響。

目前對鈦合金切削研究主要是基于數(shù)值模擬與實驗結(jié)合的方法，研究表面完整性、加工工藝優(yōu)化和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。Arrazola P J等[11]指出機加工研究主要集中于使用有限元建模方法預(yù)測組織、晶粒尺寸和顯微硬度。同時對TI6AL4V的微觀結(jié)構(gòu)建模一直是許多學(xué)者的研究熱點，但目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)都集中在熱加工方面。本文結(jié)合機加工實驗和運用DEFORM軟件建立三維車削仿真驗證切削力、基于JMAK動態(tài)再結(jié)晶理論建立二維車削的微觀組織變化模型，模型包括鈦合金材料的本構(gòu)模型，JMAK理論，切屑的斷裂準(zhǔn)則，并通過實驗測得的切削力和切屑形貌對仿真進(jìn)行了驗證以及對切屑、已加工表面的平均晶粒尺寸的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，對于提高加工表面質(zhì)量有著重要的意義。

1 晶粒度分析有限元模型

1.1 本構(gòu)方程及切屑分離準(zhǔn)則

Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)方程適用于高溫、大應(yīng)變、高應(yīng)變率的耦合過程，因而廣泛的應(yīng)用在金屬切削的模擬過程中，在本次有限元模擬過程中采用J-C本構(gòu)方程來定義Ti6Al4V材料的流動應(yīng)力模型，見式(1)。鈦合金的J-C本構(gòu)模型的具體參數(shù)見表1[12]。

(1)

表1 TI6AL4V的J-C本構(gòu)模型參數(shù)

而在鈦合金切削有限元模擬中采用文獻(xiàn)[13]的物理斷裂準(zhǔn)則對鋸齒形切屑的形成進(jìn)行了模擬。具體形式為：

(2)

1.2 JMAK理論

JMAK模型的晶粒尺寸由形核和生長速率來獲得，而形核和生長速率受初始晶粒尺寸以及狀態(tài)變量(例如溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率)的影響，運用Deform內(nèi)嵌的JMAK理論可以對切削鈦合金微觀組織演變進(jìn)行建模，動態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)用Avrami方程[9]定義為：

(3)

(4)

(5)

其中,ε是應(yīng)變，R是氣體常數(shù)，εp是峰值應(yīng)變，ε0.5是Xdrex=0.5的應(yīng)變水平。當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)變εc=a2εp時，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生。則動態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸大小和平均晶粒尺寸可以表示為：

(6)

davg=d0(1-Xdrex)+ddrexXdrex

(7)

Ti6Al4V合金的JMAK理論模型參數(shù)見下表2[9], Ti6Al4V合金的微觀組織由α和β兩相組成，α相約占鈦合金的90%。α晶粒的平均晶粒尺寸為d0，通過金相實驗測得α晶粒的平均尺寸約為d0=20 μm，不考慮切削過程發(fā)生的相變。

表2 Ti6Al4V的JMAK理論模型參數(shù)

2 有限元仿真與實驗分析

2.1 有限元仿真與實驗

有限元仿真采用DEFORM分析軟件，2D模擬如圖1a所示。在設(shè)置摩擦傳熱模型時，分別考慮恒定剪切摩擦因數(shù)和整體傳熱系數(shù)來模擬刀具-切屑界面之間的摩擦和傳熱條件。

鈦合金切削實驗是在數(shù)控機床上進(jìn)行的，如圖2a所示，一個初始直徑為80 mm的棒樣，經(jīng)過熱處理之后進(jìn)行車削加工，熱處理狀態(tài)為750 ℃保溫退火1.5 h，隨后空冷至室溫，目的是為了得到鈦合金的等軸組織[15]，切削參數(shù)為vc=30 m/min、80 m/min、150 m/min，每一組切削速度下分別進(jìn)行進(jìn)給量為f=0.05 mm/r、0.1 mm/r、0.15 mm/r、0.2 mm/r的切削加工。刀具前后角分別為10.19°和7.45°，如圖1b所示。切削加工后，切屑的幾何參數(shù)(齒頂，齒谷，齒間距離)采用SOPTOP ICX41M倒置金相顯微鏡(50X-1000X)觀察和測量。加工示意圖如圖2b所示。

(a) 2D仿真模型

(b) 刀具幾何參數(shù)

(a) 切削實驗 (b) 加工示意圖圖2 Ti6Al4V切削實驗及加工示意圖

收集每組切削參數(shù)加工產(chǎn)生的鈦合金鋸齒形切屑進(jìn)行鑲嵌、機械研磨、拋光，采用光學(xué)顯微鏡觀察切屑形態(tài)，如圖3所示。通過測量3個鋸齒形切屑的齒頂高、齒谷高、齒間距并取平均值來表征鋸齒形切屑的形態(tài)特征，實驗結(jié)果值與仿真預(yù)測結(jié)果對比見表3，同時通過測力儀獲取切削實驗過程中的平均主切削力，實驗測試的切削力與仿真預(yù)測結(jié)果對比如圖4所示，切削力仿真平均誤差在7%以內(nèi)，切屑形貌仿真平均誤差在8%以內(nèi)，與實驗結(jié)果較好的吻合。

表3 不同切削速度下仿真和實驗切屑形貌對比

(a)切屑形狀 (b)實驗結(jié)果圖3 v=30 m/min,f=0.15 mm/r時仿真產(chǎn)生的切屑形狀和實驗結(jié)果

(a) vc=150 m/min (b) f=0.15 mm/r

根據(jù)圖3、圖4和表3的驗證結(jié)果和綜合分析，所提出的切削Ti6Al4V的有限元模型是可信的。因此，該模型可以比較準(zhǔn)確地模擬加工鈦合金過程中的微觀組織的演變。

2.2 晶粒度仿真結(jié)果分析與實驗結(jié)果

2.2.1 切削速度對鈦合金加工過程中晶粒細(xì)化的影響

鈦合金Ti6Al4V材料α相平均初始晶粒尺寸約為20 μm ，基體組織如圖5a所示。利用Deform軟件后處理點追蹤功能，分別對距鈦合金未加工表面等間距取三列共30點和距離已加工表面(0.005 mm、0.01 mm、0.02 mm、0.04 mm、0.08 mm)取三列共15點來研究仿真切削過程中晶粒尺寸的變化。當(dāng)vc=150 m/min、f=0.1 mm/r時，切屑第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的晶粒尺寸變化云圖及點追蹤平均晶粒尺寸圖如圖5b、圖6a所示。當(dāng)進(jìn)給量f=0.1 mm/r，切削速度從30 m/min逐漸增加到150 m/min，切屑的第一變形區(qū)(主剪切區(qū))和第二變形區(qū)、已加工表面都發(fā)生了晶粒細(xì)化和拉長，切屑第一變形區(qū)和第二變形區(qū)最為明顯，因為在該區(qū)域塑性變形嚴(yán)重產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)變率，而其他區(qū)域的晶粒尺寸變化較小或基本保持不變，切屑第一變形區(qū)平均晶粒尺寸從17.22 μm 逐漸增大到17.85 μm，切屑第二變形區(qū)平均晶粒尺寸從15.43 μm逐漸增大到16.17 μm，切屑晶粒細(xì)化逐漸減弱，如圖6 b所示。實驗結(jié)果如圖7 a～圖7 c所示，從金相實驗可以觀察到，隨著切削速度的增大，切屑第一變形區(qū)和第二變形區(qū)晶粒細(xì)化逐漸減弱，與仿真結(jié)果趨勢一致。其產(chǎn)生的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸會隨著速度的提高呈先上升趨勢，如圖6 b所示。

鈦合金已加工表面平均晶粒尺寸變化仿真云圖如圖8所示，在已加工表面最表層形成一層晶粒細(xì)化層，晶粒尺寸沿著切削深度方向逐漸變大，呈現(xiàn)一種梯度變化，與具有剪切區(qū)的切屑內(nèi)部晶粒細(xì)化明顯不同，隨著切削速度的提高，晶粒細(xì)化層深度可達(dá)40 μm左右，而已加工表面晶粒尺寸從18.15 μm緩慢增大到18.63 μm，晶粒細(xì)化減弱，細(xì)化程度明顯弱于切屑的第一變形區(qū)和第二變形區(qū)，其產(chǎn)生的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸會隨著速度的提高逐漸降低到2.51 μm，如圖6b所示，實驗結(jié)果如圖7d～圖7f所示，可以看出已加工表面晶粒細(xì)化逐漸減弱，晶粒細(xì)化層在變小，與仿真結(jié)果取得較好的一致性。在切削鈦合金過程中，隨著速度的增大，切屑和已加工表面晶粒細(xì)化減弱，這主要的原因是隨著切削速度的提高切削力逐漸減小，塑性變形減弱，晶粒細(xì)化程度也隨之降低。

(a) 微觀組織 (b) 切屑晶粒尺寸變化云圖

(a) vc=150 m/min、f=0.1 mm/r時 切屑晶粒尺寸變化云圖 (b) f=0.1 mm/r時加工過程 中晶粒尺寸變化圖

(a) vc=30 m/min (b) vc=80 m/min (c) vc=150 m/min

(d) vc=30 m/min (e) vc=80 m/min (f) vc=150 m/min

(a) vc=150 m/min,f=0.1 mm/r時已加工表 面晶粒尺寸變化云圖及晶粒細(xì)化層厚度 (b) 點追蹤平均晶粒 尺寸提圖

2.2.2 進(jìn)給量對鈦合金加工過程中晶粒細(xì)化的影響

當(dāng)切削速度vc=150 m/min，進(jìn)給量從0.05 mm/r逐漸增大到0.15 mm/r，鈦合金切屑同樣表現(xiàn)出不同程度的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，切屑的平均晶粒尺寸變小，切屑第一變形區(qū)平均晶粒尺寸從18.06 μm逐漸增大到16.88 μm，切屑第二變形區(qū)平均晶粒尺寸從16.7 μm逐漸增大到15.55 μm，切屑晶粒細(xì)化逐漸減弱，當(dāng)進(jìn)給量為0.2 mm/r時，切屑區(qū)域晶粒尺寸為呈增大趨勢，主要原因是進(jìn)給量的增大，溫度升高，使該區(qū)域發(fā)生較為明顯的動態(tài)回復(fù)，晶粒尺寸增大較為明顯，其產(chǎn)生的動態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸會隨著進(jìn)給量的提高而增大如圖9所示。實驗結(jié)果如圖10a～圖10c所示，從圖中可以明顯看到切屑第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的晶粒細(xì)化隨著進(jìn)給量的增大細(xì)化越明顯，這與仿真的結(jié)果表現(xiàn)出相同的趨勢。鈦合金已加工表面的晶粒細(xì)化呈現(xiàn)一種梯度變化，隨著進(jìn)給量的逐漸增大，已加工表面的平均晶粒尺寸從19.23 μm逐漸細(xì)化至18.03 μm，而動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸減小，如圖9所示。實驗結(jié)果如圖10 d、圖10 e所示，可以看出已加工表面晶粒細(xì)化增強，與仿真趨勢表現(xiàn)一致性。在切削鈦合金過程中，隨著進(jìn)給量的增大，晶粒細(xì)化逐漸增強，這主要的原因是隨著進(jìn)給量的提高切削力逐漸增大，塑性變形嚴(yán)重，晶粒細(xì)化程度也隨之增強。

圖9 vc=150 m/min時，不同進(jìn)給下鈦合金Ti6Al4V加工過程中晶粒尺寸變化關(guān)系

(a)f=0.05 mm/r (b)f=0.1 mm/r (c)f=0.15mm/r

(d)f=0.1 mm/r (e)采樣點(疏)f=0.2 mm/r

利用Deform點追蹤提取了不同切削速度與進(jìn)給量下切屑、已加工表面的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的變化來研究最晶粒細(xì)化的規(guī)律，如圖11、12所示。在進(jìn)給量為f=0.1 mm/r的條件下，由基于JMAK的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸預(yù)測模型可知，較高的應(yīng)變、低應(yīng)變率和較低的切削溫度可以提高晶粒細(xì)化程度，應(yīng)變率對切削過程中晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用，溫度的上升對晶粒細(xì)化有一定的弱化作用，發(fā)生動態(tài)回復(fù)現(xiàn)象，如圖11所示。在切削速度為vc=150 m/min時，由基于JMAK的再結(jié)晶晶粒尺寸預(yù)測模型可知，切屑的平均晶粒尺寸明顯大于已加工表面，較低的應(yīng)變、低應(yīng)變率可以提高晶粒的細(xì)化程度，溫度的提升對切屑晶粒細(xì)化有弱化作用，應(yīng)變率對切削過程中晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用，如圖12所示?？傊苄宰冃螌︹伜辖?Ti6Al4V切削加工過程中的切屑和已加工表面的晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用。

(a)應(yīng)變和應(yīng)變率變化 (b)溫度變化

(a)應(yīng)變和應(yīng)變率變化 (b)溫度變化

3 結(jié)論

本文建立切削鈦合金的有限元模型和實驗相結(jié)合的方法，通過正交切削實驗獲取了不同切削速度和進(jìn)給量下的平均主切削力、切屑形貌并與仿真進(jìn)行分析對比驗證仿真模擬的可行性，并利用基于JMAK的動態(tài)再結(jié)晶模型結(jié)合有限元仿真研究切削參數(shù)對切削鈦合金過程中微觀組織的影響，結(jié)合材料多物理場分析微觀組織變化的規(guī)律，最終得到結(jié)論如下：

(1)隨著切削速度的提高，切削力減小，塑性變形減弱，鈦合金切屑和已加工表面的晶粒細(xì)化程度減弱，但切屑區(qū)域晶粒細(xì)化程度明顯大于已加工表面，此時應(yīng)變率對晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用。

(2)隨著進(jìn)給量的增大，切削力逐漸增大，塑性變形增強，切屑和已加工表面晶粒細(xì)化程度明顯，此時應(yīng)變和應(yīng)變率對晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用，但當(dāng)進(jìn)給量為0.2 mm/r時，切屑區(qū)域溫度的上升，動態(tài)回復(fù)明顯，晶粒細(xì)化減弱，而溫度對晶粒細(xì)化有一定的弱化作用。