機(jī)械加工過(guò)程中的材料損傷研究

于桂平

摘 要：材料在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)或多或少會(huì)出現(xiàn)一些裂痕、材料的光潔度下降、材料變形等材料損傷，這導(dǎo)致工件內(nèi)部產(chǎn)生一些殘留材料，直接影響產(chǎn)品的進(jìn)一步加工生產(chǎn)和使用。因此，必須明確材料在機(jī)械加工過(guò)程中常見(jiàn)的損傷類型，主要包括彈塑性變形及損傷和韌性損傷。對(duì)此，有必要準(zhǔn)確確定材料內(nèi)部結(jié)合與變形之間的關(guān)系，以及在高溫環(huán)境下的相變熱傳導(dǎo)和彈塑性熱傳導(dǎo)效應(yīng)，從而準(zhǔn)確控制機(jī)械加工的溫度、工藝等影響因素，以此降低機(jī)械加工中的材料損傷。

關(guān)鍵詞：材料損傷;機(jī)械加工;韌性損傷;彈塑性變形

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械加工業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，然而當(dāng)前制造業(yè)當(dāng)中對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)或多或少的會(huì)出現(xiàn)一些損傷，如材料表現(xiàn)出現(xiàn)裂痕、材料的光潔度下降、材料變形等現(xiàn)象，這不僅產(chǎn)生了材料的浪費(fèi)，還會(huì)使得一些工件內(nèi)部產(chǎn)生一些殘留材料，對(duì)產(chǎn)品的進(jìn)一步加工生產(chǎn)產(chǎn)生了重要的影響，產(chǎn)品質(zhì)量也得不到保障，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步的受影響。因此有必要對(duì)當(dāng)前機(jī)械加工過(guò)程中的材料損傷進(jìn)行分析，探討材料在加工過(guò)程中變形的原因，從而提出相關(guān)建議。

1 機(jī)械加工過(guò)程中常見(jiàn)的材料損傷

通過(guò)查看相關(guān)文獻(xiàn)及走訪企業(yè)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，最常出現(xiàn)材料的彈塑性損傷和韌性損傷問(wèn)題。

1.1 材料的彈塑性變形及損傷

材料在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生彈塑性變形及損傷是最為常見(jiàn)的問(wèn)題之一，通常金屬材料最容易在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生彈塑性變形和損傷。這個(gè)問(wèn)題一直以來(lái)備受工程界的廣泛關(guān)注，包括一些泵類產(chǎn)品在機(jī)械加工中也會(huì)導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題。而材料的彈塑性變形和損傷最常的表現(xiàn)圓柱試件拉伸頸縮問(wèn)題和含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷。

彈塑性的韌性金屬材料在機(jī)械加工過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是圓柱試件拉伸頸縮問(wèn)題，它是一種基本的力學(xué)現(xiàn)象與力學(xué)問(wèn)題。從整體分析來(lái)看，首先應(yīng)該分析材料自身的結(jié)構(gòu)，材料在機(jī)械加工過(guò)程中的整體效果很大程度上受到材料自身結(jié)構(gòu)的使用效果和結(jié)構(gòu)整體應(yīng)用的影響，如金屬材料在機(jī)械加工過(guò)程中就容易產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題。在機(jī)械加工工作中，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有找到有效的解決辦法，解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)尚處于初期發(fā)展階段。

含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷是彈塑性變形，是損傷的另一種重要顯現(xiàn)形式。當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，材料處于拉伸負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)材料試件的開(kāi)口處周邊會(huì)產(chǎn)生巨大應(yīng)力集中。通常材料在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，會(huì)受到三向應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)，三個(gè)應(yīng)力都不等于零，其中最大剪應(yīng)力就容易引起材料損傷。面對(duì)含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷問(wèn)題，一定要認(rèn)真調(diào)查材料內(nèi)部的應(yīng)力分布和受力分布情況，同時(shí)開(kāi)展多次試驗(yàn)，并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能找到它的真正損傷原因。

1.2 韌性損傷

韌性是指材料受到使其發(fā)生形變的力時(shí)對(duì)折斷的抵抗能力，韌性損傷為韌性斷裂前的微小變化。材料在機(jī)械加工過(guò)程中還容易產(chǎn)生韌性損傷，如材料內(nèi)部存在微裂痕或者材料上存在的微孔洞在加工過(guò)程中就容易產(chǎn)生韌性損傷。這種損傷表現(xiàn)為球形孔洞損傷、橢圓形孔洞損傷。球形孔洞損傷是材料機(jī)械加工中常見(jiàn)的一種韌性損傷。由于材料本身會(huì)存在一些細(xì)微的孔洞，這些孔洞的大小、形狀分布往往沒(méi)有規(guī)律，因此，難以快速高效的對(duì)孔洞進(jìn)行快速分析，這就導(dǎo)致要測(cè)量這些孔洞需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)，對(duì)此，許多企業(yè)采用局部平均化對(duì)孔洞進(jìn)行測(cè)量。除了球形孔洞損傷外，還存在橢圓形孔洞損傷，隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，材料的損傷正逐步減少，但是橢圓形孔洞損傷仍然存在，主要由于在材料加工過(guò)程中，生產(chǎn)和制作零部件時(shí)需要利用機(jī)器壓實(shí)材料內(nèi)部中存在的各種類型的孔洞，通過(guò)在處理橢圓形孔洞時(shí)，需要從整體上來(lái)分析孔洞的形態(tài)，確?？瞻椎挠行ч]合，避免將來(lái)發(fā)展成裂痕等問(wèn)題。

2 機(jī)械加工過(guò)程中材料損傷的形成分析

對(duì)于材料在機(jī)械加工過(guò)程中的損傷問(wèn)題，最早很多人簡(jiǎn)單認(rèn)為是力學(xué)原因造成的損傷，但是隨著熱力學(xué)的發(fā)展，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到除了力學(xué)本身，熱學(xué)也會(huì)對(duì)材料損傷產(chǎn)生影響。主要是在高溫作用下，熱力問(wèn)題會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生很大影響。

2.1 熱力學(xué)對(duì)固體材料的應(yīng)力影響

從固體的構(gòu)形和變形的幾何特征來(lái)看，二者存在較大的差距，所占的空間并沒(méi)有固定，因此，從固體系統(tǒng)構(gòu)成過(guò)程看來(lái)，固體的構(gòu)形與變形之間存在較大差異。要明確變形對(duì)變量的影響，就一定要明確固體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)所占的位置及所占用的空間，然后根據(jù)其位置變化進(jìn)行構(gòu)形，對(duì)相應(yīng)數(shù)量的質(zhì)子的變形情況進(jìn)行標(biāo)量，從而通過(guò)位置來(lái)確定應(yīng)變張量和固體變形之間的關(guān)系。對(duì)此，可以借助于對(duì)稱張量來(lái)計(jì)算固體變形和張量變化的相關(guān)性。

熱力學(xué)是從宏觀角度分析物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律，從能量轉(zhuǎn)化角度來(lái)分析物質(zhì)的熱性質(zhì)，它能夠有效應(yīng)解材料在機(jī)械加工過(guò)程中的變形和損傷的問(wèn)題。固體材料在機(jī)械加工過(guò)程中是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生一定的表面力和張力，表面力是通過(guò)物體接觸而產(chǎn)生和傳遞的一種作用力，他并不是只作用于物體表面，而是廣泛存在于固體內(nèi)部，這種表面力的測(cè)量跟測(cè)量的方向和測(cè)量的過(guò)程高度相關(guān)。

從熱力學(xué)角度來(lái)看，通過(guò)計(jì)算固體不可逆熱力學(xué)狀態(tài)的基本狀態(tài)變量來(lái)分析材料內(nèi)部的熱力動(dòng)作，能夠準(zhǔn)確地分析出材料在機(jī)械加工制作過(guò)程中的損傷原因。

2.2 主要的材料損傷的形成分析

隨著機(jī)械加工工藝技術(shù)的發(fā)展，材料加工中的損傷已經(jīng)有一定減少，然而仍然不能避免，材料的機(jī)械加工難免受到周邊環(huán)境的影響，從而難以避免材料損失等缺陷產(chǎn)生。無(wú)論是微觀缺陷和宏觀缺陷，都會(huì)影響到材料的加工和使用性能，同時(shí)也會(huì)對(duì)材料的韌性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

2.2.1 材料韌性斷裂形成分析

材料的韌性斷裂是指材料在經(jīng)過(guò)大量彈塑性變形后而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。其主要特征表現(xiàn)為發(fā)生了明顯的宏觀性變形，如彎曲、過(guò)量伸長(zhǎng)、過(guò)量鼓脹等。斷口的尺寸也發(fā)生了明顯的改變。材料在機(jī)械加工過(guò)程中容易產(chǎn)生損傷和宏觀裂痕，在此基礎(chǔ)上不斷拓展，最后就會(huì)形成韌性損傷，甚至韌性斷裂，也稱之為塑形斷裂。這種斷裂通常是對(duì)材料進(jìn)行拉伸而產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)韌性斷裂進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，發(fā)現(xiàn)材料在破壞過(guò)程中，往往由于內(nèi)部損傷而產(chǎn)生了孔及氣體形狀，再不斷擴(kuò)展而最終形成了斷裂。

2.2.2 球形孔洞損傷的形成分析

由于材料本身存在大量的大小形狀都不規(guī)則的孔洞，因此，在對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工之前，必須對(duì)這些孔洞進(jìn)行詳細(xì)分析。對(duì)此，大部分的企業(yè)采用的是有限元分析的方法來(lái)解決，鑒于研究過(guò)程往往會(huì)耗費(fèi)大量的費(fèi)用，而最后必須要這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果，卻沒(méi)有系統(tǒng)性的方法和公式來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和研究，所以不能快速得到一個(gè)有效的方法，最后只能對(duì)一個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行分析，采用平均法來(lái)進(jìn)行研究。如在對(duì)金屬材料進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，就容易形成韌性金屬材料，這個(gè)材料中包含了很多粒子，在對(duì)材料使用過(guò)程中，孔洞就容易出現(xiàn)不牢靠的問(wèn)題，隨著材料形體的增大，這些孔洞會(huì)固定出來(lái)粒子，隨著粒子的不斷增大，就容易形成空洞，就容易引發(fā)材料斷裂。孔洞形成形和伴隨著材料的不斷演變是材料斷裂損傷的重要因素。對(duì)此，可以構(gòu)建非線性機(jī)體材料，設(shè)計(jì)相應(yīng)的材料模型，根據(jù)測(cè)算出來(lái)的材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，來(lái)對(duì)孔洞的大小和損傷情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3 計(jì)算材料結(jié)構(gòu)變化時(shí)需考慮的其他因素

在了解了材料損傷的機(jī)理和規(guī)律后，就可以有針對(duì)性地計(jì)算材料結(jié)構(gòu)變化與材料損傷的關(guān)系，還需要了解材料本身的相變熱傳導(dǎo)和彈塑性熱傳導(dǎo)對(duì)材料結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的影響。

3.1 考慮相變熱傳導(dǎo)引入對(duì)計(jì)算材料結(jié)構(gòu)變化的影響

根據(jù)熱力學(xué)原理，要減少材料在機(jī)械加工過(guò)程中的損傷，就必須詳細(xì)了解材料的結(jié)構(gòu)與變形之間的關(guān)系，對(duì)此可以利用相變熱傳導(dǎo)方法對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。變相熱傳導(dǎo)可以準(zhǔn)確計(jì)算材料在機(jī)械加工過(guò)程中內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)中要注意必須在計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮到材料經(jīng)過(guò)高溫加熱作用后要經(jīng)過(guò)的連續(xù)冷卻過(guò)程，這個(gè)過(guò)程發(fā)生的變化必須考慮在內(nèi)。需要充分了解在高溫加熱過(guò)程中材料內(nèi)部是否會(huì)熱生產(chǎn)。在對(duì)材料進(jìn)行高溫機(jī)械加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)材料因變形而產(chǎn)生的內(nèi)熱。因此，在利用相變熱傳導(dǎo)時(shí)，應(yīng)該充分考慮材料變相和材料內(nèi)熱之間的關(guān)系，明確材料在變形過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生內(nèi)熱，才能有效控制材料的溫度，從而減少加工過(guò)程中的材料損傷。

3.2 考慮彈塑性熱傳導(dǎo)對(duì)材料結(jié)構(gòu)變化的影響

材料在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生變相熱傳導(dǎo)現(xiàn)象外，還可能產(chǎn)生塑形熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。材料在高溫環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械加工后會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的變化，當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)彈塑性熱傳導(dǎo)的變化，它是指材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后可能產(chǎn)生彈塑性方面的材料損傷，高溫條件下的機(jī)械加工會(huì)對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從而引發(fā)彈塑性損傷。對(duì)此，有必要對(duì)材料的彈塑性熱傳導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，減少因彈塑性熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的材料損傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工過(guò)程中，材料損傷是不可避免的，這不僅浪費(fèi)材料，更重要的是產(chǎn)生的殘留材料會(huì)對(duì)后續(xù)材料的使用和加工產(chǎn)生不良影響，因此，應(yīng)該盡量減少材料損傷。從熱力學(xué)角度來(lái)看，材料損傷受到材料本身的相變熱傳導(dǎo)、彈塑性熱傳導(dǎo)、加工工藝等因素的影響，要想減少材料損傷，就必須對(duì)材料進(jìn)行構(gòu)形和變形分析，弄清楚材料變形對(duì)其質(zhì)點(diǎn)變量的影響，明確在特定的高溫環(huán)境下其相變和彈塑性與材料內(nèi)熱之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到最佳的加工環(huán)境，包括控制機(jī)械加工的溫度、工藝等，從而降低機(jī)械加工中的材料損傷。

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