大應(yīng)變切削中切削速度對(duì)純銅納米晶切屑微結(jié)構(gòu)及性能的影響

吳春凌，聶 斌，陳 斌

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430000；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430000）

1 引言

超細(xì)晶材料由于具有晶粒細(xì)小、晶界面積大及缺陷密度高等特點(diǎn)，有著優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能，在光、電、磁、熱等領(lǐng)域中可以有廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。LSM作為一種劇烈塑性變形（Sever Plastic Deformation，SPD）方法，可以在一個(gè)單一的變形階段使工件材料受到刀刃的剪切和前刀面擠壓產(chǎn)生劇烈塑性變形從而形成高強(qiáng)度的超細(xì)晶切屑［4-6］，同時(shí)克服了傳統(tǒng)SPD方法加工繁瑣的局限性［7-8］，其工作原理，如圖1所示。

圖1 平面切削示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Plane Cutting

文獻(xiàn)［9-10］通過(guò)LSM 成功制備出具有納米結(jié)構(gòu)的純銅和Al6061-T6合金切屑一次大應(yīng)變切削后，銅和鋁合金切屑的累積應(yīng)變分別達(dá)到13和5.2，晶粒尺寸由原來(lái)的50μm和20μm分別細(xì)化至（200～300）μm和（50～80）μm，硬度由原來(lái)的55HV和110HV分別提高至150HV和160HV。文獻(xiàn)［11］發(fā)現(xiàn)刀具前角是改變切屑應(yīng)變和晶粒度的最主要因素，隨著刀具前角由5°減小至0°，晶粒尺寸由（1～12）μm細(xì)化至（0.15～2.71）μm，顯微硬度比母材增加了44%。文獻(xiàn)［12］在切削速度為1m/s和1.7m/s，刀具前角為0°和-10°條件下對(duì)等原子CrFeMnNi高熵合金進(jìn)行切削，觀察到其顯微組織都有超細(xì)晶粒，當(dāng)切削速度為1.0m/s、刀具前角為-10°時(shí)，得到的超細(xì)晶粒比其他切削條件更均勻，切屑試樣的抗拉強(qiáng)度高于母材，但塑性顯著降低。文獻(xiàn)［13］利用LSEM制備Al6063超細(xì)晶切屑時(shí)發(fā)現(xiàn)，切應(yīng)變會(huì)隨著切屑?jí)嚎s比的增加和前角的減小而增加，微晶尺寸會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加而增加。文獻(xiàn)［14］使用壓縮比為1.0、前角為10°的組合刀具，采用LSEM工藝成功制備出平均晶粒尺寸為200μm 超細(xì)晶鋁合金切屑，隨著退火溫度由100℃升至400℃且退火處理時(shí)間為1h，晶粒形態(tài)由細(xì)小的等軸晶變?yōu)榇罅康募?xì)長(zhǎng)顆粒，尺寸由（150～600）μm增大至（300～800）μm，切屑的硬度值會(huì)從1430MPa減少至803MPa。文獻(xiàn)［15］運(yùn)用LSEM一次變形生產(chǎn)AZ31B鎂合金板材時(shí)得到，通過(guò)控制絕熱加熱和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度，可獲得超細(xì)晶（100～500)μm和常規(guī)細(xì)晶（2～5)μm的顯微組織。文獻(xiàn)［16］將Al-7075塊體浸入液氮中進(jìn)行LSM，與常溫切削對(duì)比，低溫下得到的切屑表面光滑，形狀連續(xù)，其內(nèi)部微觀組織的錯(cuò)位密度更高，提升了材料的塑性，且低溫抑制了材料軟化和動(dòng)態(tài)回復(fù)，切屑的顯微硬度隨著速度的增加而下降趨勢(shì)減緩，硬度值趨于在（146～167）HV范圍內(nèi)。文獻(xiàn)［17］運(yùn)用大應(yīng)變擠出工藝（LSEM）在低溫切削條件下制備AZ61鎂合金切屑時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比常溫切削，低溫機(jī)械加工樣品呈現(xiàn)出更高的顯微硬度和更高的晶粒細(xì)化，且熱軟化下降。文獻(xiàn)［18］對(duì)鎳基高溫合金、鈷鎳類鋼和鋁合金進(jìn)行超高速切削研究發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度提高，變形區(qū)材料溫度會(huì)升高，在擴(kuò)散蠕變控制塑性變形階段，變形部位材料迅速發(fā)生恢復(fù)再結(jié)晶，使材料的塑性得到提高。

研究學(xué)者對(duì)大應(yīng)變常溫、低溫切削過(guò)程中刀具前角對(duì)切屑變形參數(shù)、微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響做了大量研究，發(fā)現(xiàn)刀具前角是影響切屑塑性變形的最主要因素，但對(duì)切削速度對(duì)超細(xì)晶切屑的變形參數(shù)、微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律研究還有不足，本文通過(guò)Deform-3D對(duì)純銅材料進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)切削，分析不同切削速度對(duì)切削變形區(qū)等效應(yīng)變、應(yīng)變速率、切削溫度、切屑微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響并探索產(chǎn)生的原因及規(guī)律。

2 模擬與分析

2.1 離散單元模型的建立

實(shí)驗(yàn)材料選用紫銅管材，外徑為70mm，壁厚為5mm，其再結(jié)晶溫度為（200～280）℃，熔點(diǎn)為1083℃，晶粒呈現(xiàn)粗大等軸狀且分布均勻，平均晶粒尺寸約為50μm，維氏硬度為85HV。工件材料假定為剛塑性，切削參數(shù)選取為紫銅切削深度ap=0.1mm，進(jìn)給量f=0.1mm，后角α0=5°，刀具前角γ0=-20°和20°，切削速度分別為42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s。

2.2 切削過(guò)程分析

在刀具前角為-20°，切削速度為42.5mm/s的切削條件下，模擬切削過(guò)程中各個(gè)變形參數(shù)的分布狀況，如圖2所示。

圖2 大應(yīng)變切削過(guò)程中變形參數(shù)的分布狀況Fig.2 Distribution of Deformation Parameters During Large Strain Machining

在保持刀具固定的前提下，工件相對(duì)刀具以速度V0從左至右的方向進(jìn)行水平移動(dòng)。圖2顯示，當(dāng)步數(shù)為400時(shí)，切削變形主要集中在第一變形區(qū)，最大剪應(yīng)變值和最高溫度都發(fā)生在切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)域，主要是因?yàn)楸磺邢鞑牧显诘谝蛔冃螀^(qū)由于集中切削的作用，切屑排出時(shí)受到劇烈擠壓，從而底層繼續(xù)產(chǎn)生劇烈變形，故最大等效應(yīng)變和最高溫度變化主要集中在第二變形區(qū)，而等效應(yīng)變率的變化主要在第一變形區(qū)，是因?yàn)槠鋽?shù)值隨著切削材料與刀具切屑刃距離的減小而增大。

運(yùn)用圖2所示的模型，改變刀具前角和切削速度，將得到的數(shù)據(jù)制成圖表，如圖3所示。

圖3 切削過(guò)程中切削速度對(duì)切削等效應(yīng)變速率、等效應(yīng)變和切削溫度影響規(guī)律Fig.3 Influence of Cutting Speed on Equivalent Strain Rate,Equivalent Strain and Cutting Temperature in Cutting Process

-20°刀具前角切削條件下，隨著切削速度增大，最大等效應(yīng)變從5.49 逐漸降至4.36，等效應(yīng)變速率和切削溫度分別從14.9mm/mm/sec和126℃逐漸升高至191mm/mm/sec和298℃。在20°刀具下，等效應(yīng)變從3.50逐漸降至2.66，等效應(yīng)變速率和切削溫度分別從22.3mm/mm/sec和83.9℃逐漸升高至189mm/mm/sec和162℃。

等效應(yīng)變速率和切削溫度比等效應(yīng)變受切削速度的影響更大，相比20°刀具，-20°刀具下等效應(yīng)變和切削溫度隨著切削速度的增加而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。

3 微觀組織分析

3.1 切削制備

切屑制備材料為紫銅管，外徑為70mm，壁厚5mm。切削實(shí)驗(yàn)裝置為CA6140車床，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為25r/min、50r/min、108r/min、130r/min、260r/min，對(duì)應(yīng)車削速度即為42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s。

切削刀具選用高速鋼，刀具后角統(tǒng)一為α0=5°，刀具前角分別為γ0=-20°和20°。

切削時(shí)采用自動(dòng)進(jìn)給，采用0.1mm/r，切削深度為0.1mm。實(shí)驗(yàn)裝置車床，如圖4所示。

圖4 切屑制備裝置Fig.4 Chip Preparation Device

3.2 切屑微觀組織EBSD分析

采用前角為-20°的高速鋼刀具，切削速度分別為42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s 制備大應(yīng)變銅切屑。通過(guò)EBSD技術(shù)觀測(cè)切屑微觀組織的變化情況。

第一列反映晶粒大小和分布形態(tài)的狀況，第二列局部平均取向差圖（KAM）反映位錯(cuò)密度狀況，二個(gè)區(qū)域表示位錯(cuò)密度最低或中等區(qū)域，第三列為切屑EBSD再結(jié)晶圖，如圖5所示。

圖5 刀具前角為-20°時(shí)，不同切削速度得到的切屑EBSD云圖Fig.5 EBSD Nephogram of Chips with Different Cutting Speeds when the Rake Angle is-20°

切削速度為42mm/s和85mm/s時(shí)，切屑由均勻且細(xì)密的等軸晶粒組成，晶粒尺寸主要在0.35μm以下，由于原始粗晶粒發(fā)生剪切變形,晶?；飘a(chǎn)生了大量的位錯(cuò)，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)呈樹(shù)枝狀，晶粒內(nèi)部密度較高，小尺寸紅色變形晶和小尺寸藍(lán)色再結(jié)晶占得比例偏多。

切削速度為183.6mm/s和221mm/s時(shí)，切屑內(nèi)部晶粒細(xì)化減弱，較大尺寸晶粒增多，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)和等軸狀結(jié)構(gòu)明顯減少，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度低，黃色的亞晶和藍(lán)色的再結(jié)晶比例較高，紅色變形晶分布少，說(shuō)明隨著切削溫度的增加，使得晶粒內(nèi)部再結(jié)晶過(guò)程趨于穩(wěn)定，晶粒尺寸開(kāi)始增大。

切削速度為442mm/s時(shí)，大尺寸晶粒明顯增加，晶粒尺寸大于1μm，無(wú)規(guī)律地分布在小尺寸晶粒之間，且切削溫度進(jìn)一步升高導(dǎo)致材料發(fā)生熱軟化，使晶粒發(fā)生軟化變形，大尺寸變形晶粒開(kāi)始增多。

隨著切削速度的提高，切屑的等效應(yīng)變略微下降，導(dǎo)致工件受到的塑性變形程度降低，并且切削速度的顯著提高增加了切屑變形區(qū)的溫度從而使切屑材料的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，削弱晶粒的細(xì)化程度,通過(guò)熱激活促使位錯(cuò)滑移導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合和抵消,導(dǎo)致位錯(cuò)密度減小,削弱了位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。

切削速度的提高也會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形的速度加快，使切屑在短時(shí)間內(nèi)不能完全充分的塑性變形，部分大尺寸晶粒得以保留，從而削弱了細(xì)晶強(qiáng)化的作用,降低了變形阻力并減輕了塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化。

為了對(duì)比正負(fù)刀具前角在切削過(guò)程中切削速度對(duì)切屑微結(jié)構(gòu)的影響差異，采用刀具前角為20°，切削速度分別為42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s 對(duì)工件進(jìn)行與負(fù)前角相同條件下的大應(yīng)變切削。通過(guò)EBSD技術(shù)觀測(cè)切屑微觀組織的變化情況。

五種切削速度得到的切屑晶粒尺寸變化不大且晶粒分布均勻，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度變化程度不大，速度為183.6mm/s時(shí)略有降低，晶粒內(nèi)部主要以再結(jié)晶和亞晶為主，且晶粒分布均勻。

說(shuō)明切削速度對(duì)20°刀具下制備的超細(xì)晶切屑在晶粒尺寸、位錯(cuò)密度和再結(jié)晶分布等方面影響不顯著，如圖6所示。

圖6 刀具前角為20°時(shí)，不同切削速度得到的切屑EBSD云圖Fig.6 EBSD Nephogram of Chip with Different Cutting Speed when the Rake Angle of Tool is 20°

3.3 晶粒尺寸分析

在刀具為-20°和20°的條件下，得到的不同速度下晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 切屑晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)Fig.7 Chip Grain Size Statistics

圖7顯示，切屑的晶粒尺寸主要集中在（0.2～0.6）μm之間，且大尺寸的晶粒數(shù)量明顯是低于小尺寸的。在切削速度分別為42.5mm/s 和85mm/s 時(shí)，得到的晶粒尺寸主要分布在0.35μm 以下，而在221mm/s和442mm/s兩種切削速度下，大尺寸晶粒開(kāi)始增多，少量晶粒尺寸大于1μm。對(duì)比圖7（a）、圖7（b）可以得到：（1）-20°前角的晶粒尺寸明顯靠左集中分布，而20°前角的晶粒尺寸偏居中分布；（2）-20°前角下，晶粒尺寸會(huì)隨著速度的增加而增大，而20°前角下，不同切削速度對(duì)晶粒尺寸的影響不明顯。

4 力學(xué)性能檢測(cè)

采用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，測(cè)量出20°和-20°刀具前角下，各切削速度下制備的切屑維氏硬度，得出硬度變化曲線，如圖8所示。

圖8 在刀具前角為20°和-20°時(shí)切屑顯微硬度Fig.8 Chip Microhardness at Tool Rake Angles of 20°and-20°

圖8顯示，在-20°和20°刀具下，晶粒的顯微硬度都會(huì)隨著切削速度的增加而下降。低速段時(shí)20°前角和-20°前角下制備的切屑硬度曲線下降較平緩，但隨著切削速度的增加，相比正前角，負(fù)前角刀具制備的切屑硬度明顯下降，當(dāng)切削速度為442mm/s時(shí)，兩種硬度值相差了32HV。

負(fù)前角切削時(shí)，隨著切削速度的增加，等效應(yīng)變速率隨之增加，導(dǎo)致切屑不能完全塑性變形，大晶粒尺寸來(lái)不及細(xì)化充分而得以保留，且切削溫度升高產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，熱軟化加劇，當(dāng)軟化速度高于塑性變形晶粒細(xì)化速度時(shí)，切屑的硬度開(kāi)始逐漸下降。

5 結(jié)論

（1）在-20°和20°前角刀具進(jìn)行大應(yīng)變切削過(guò)程中，隨著切削速度的增大，切屑的等效應(yīng)變降低，等效應(yīng)變速率和切削溫度上升，且相比等效應(yīng)變，等效應(yīng)變速率和切削溫度受切削速度的影響更大。

（2）采用負(fù)前角切削時(shí)，晶粒尺寸會(huì)隨著切削速度的增加而增加，硬度會(huì)隨著切削速度的增加而減小。切削速度的提高引起等效應(yīng)變速率升高，導(dǎo)致切屑不能完全充分塑性變形，且隨著切削溫度的升高,會(huì)促使位錯(cuò)會(huì)聚而相互抵消，位錯(cuò)密度減小，加劇熱軟化作用，削弱晶粒細(xì)化的程度，晶粒硬度明顯下降。相比正前角，切削速度對(duì)負(fù)前角刀具制備的超細(xì)晶切屑在晶粒尺寸、位錯(cuò)密度和硬度等方面具有更加劇烈的影響。

（3）大應(yīng)變切削過(guò)程中，采用負(fù)前角刀具在低速切削條件下可以獲得更高硬度的超細(xì)晶切屑。