TC4鈦合金鋸齒形切屑絕熱剪切帶的微觀組織和顯微硬度變化

王升平

中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山，528404

0 引言

對(duì)于切屑形成過程和機(jī)理的研究，是金屬切削理論研究中的重要組成部分。鋸齒形切屑是在高速切削難加工材料及硬態(tài)材料切削中常見的一種切屑形態(tài)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋸齒形切屑的形成做了大量的研究工作，主要集中在切屑幾何形態(tài)［1－2］、形成鋸齒形切屑時(shí)的切削力［3－4］、絕熱剪切帶的顯微硬度和微觀組織［5－11］、鋸齒形切屑形成機(jī)理［4－5，12－13］和有限元模擬［14－15］五個(gè)方面。

目前，對(duì)于絕熱剪切帶微觀組織的演變和顯微硬度的變化規(guī)律存在不同的觀點(diǎn)和看法。對(duì)于絕熱剪切帶微觀組織的演變，目前普遍認(rèn)為存在兩種類型的絕熱剪切帶，即形變帶和轉(zhuǎn)變帶。形變帶內(nèi)僅發(fā)生大塑性變形，而對(duì)于轉(zhuǎn)變帶（有些文獻(xiàn)稱之為白亮帶）的變形情況則存在不同的觀點(diǎn)。通常，轉(zhuǎn)變帶內(nèi)都出現(xiàn)直徑在100nm以下的細(xì)小等軸晶粒，一般認(rèn)為，這些等軸晶粒是由于旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的［16－17］。但對(duì)于在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成等軸晶粒的過程中是否發(fā)生相變看法不一。Velasquez等［5］在研究高速切削Ti6Al4V形成的絕熱剪切帶的微觀組織時(shí)發(fā)現(xiàn)，在所有切削速度下，都存在β相，沒有觀察到相變發(fā)生的證據(jù)；Yang等［17－18］在研究α－Ti（TA2）的絕熱剪切帶微觀組織時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕熱剪切帶中心是由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的細(xì)小等軸晶粒組成，沒有發(fā)生相變；Bayoumi等［6］則認(rèn)為，切削 TC4（Ti6Al4V）形成的鋸齒形切屑的絕熱剪切帶中，沒有發(fā)生擴(kuò)散型相變，但發(fā)生了非擴(kuò)散型相變，β相轉(zhuǎn)變成了α相；Wang等［7－8］在研究TC16鈦合金的絕熱剪切帶時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕熱剪切帶中存在α相和α″相，并認(rèn)為發(fā)生了β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢逑嗟鸟R氏體相變。對(duì)于絕熱剪切帶顯微硬度的變化，一種觀點(diǎn)認(rèn)為形變帶的顯微硬度隨切削速度的增大而增大，而轉(zhuǎn)變帶的顯微硬 度 隨 切 削 速 度 的 增 大 保 持 不 變［9－10］。 而Dolin?ek 等［11］在 銑 削 淬 火 鋼 （X63CrMoV51，629HV）時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕熱剪切帶的硬度隨著切削速度的增大而降低。對(duì)于絕熱剪切帶帶外顯微硬度的變化，有的認(rèn)為絕熱剪切帶外的顯微硬度隨著距絕熱剪切帶中心的距離的增大而降低［9－10］，但更多的研究者認(rèn)為帶外未變形區(qū)的顯微硬度基本保持不變，略高于基體硬度［7－8，11］。

本文利用金相顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）以及顯微硬度測(cè)試儀，研究TC4鈦合金切削時(shí)，在不同切削速度下形成的鋸齒形切屑的絕熱剪切帶的微觀組織和顯微硬度的變化規(guī)律，以及顯微硬度的變化與微觀組織演變之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)在C6132A車床上進(jìn)行，干切削；切削深度ap為0.3mm，進(jìn)給量f為0.21mm；采用前角γ0為0°、后角為7°的YG8硬質(zhì)合金刀具；工件材料為TC4鈦合金，材料成分如表1表示。加工前將工件材料退火：在780°下保溫1.5h，然后空冷。選擇某溫度（相變點(diǎn)980°以下200°左右）進(jìn)行去應(yīng)力退火，目的是為了消除原材料在鑄造過程中由于冷卻不均可能產(chǎn)生的局部熱應(yīng)力，使組織均勻穩(wěn)定，并保留一定的韌性，改善其切削加工性能。退火后材料的平均硬度為390HV0.025左右，其顯微組織如圖1所示。切屑試樣采用水晶膠冷鑲嵌，進(jìn)行磨制、拋光和腐蝕，在Leica DFC320數(shù)碼金相顯微鏡下觀察金相。金相浸蝕劑為：10%HF＋5%HNO3＋85%H2O（體積分?jǐn)?shù)）。在401MVA顯微硬度測(cè)試儀上測(cè)試切屑試樣顯微維氏硬度，載荷質(zhì)量為25g，加載時(shí)間為10s。利用型號(hào)為JEM－2100的透射電子顯微鏡分析絕熱剪切帶微觀組織的變化。透射電子顯微鏡的加速電壓為200kV，雙傾臺(tái)。

表1 Ti6Al4V合金的化學(xué)成分

圖1 工件材料Ti6Al4V合金退火后的顯微組織

2 絕熱剪切帶微觀組織的演變

圖2顯示了在不同切削速度下鋸齒形切屑絕熱剪切帶微觀組織的演變過程。圖2a、圖2b所示為在較低切削速度下切削鈦合金得到的鋸齒形切屑的剪切帶顯微形貌。圖2a中，開始出現(xiàn)了剪切變形局域化，絕熱剪切帶萌生。但由于切削速度較低（30.2m／min），應(yīng)變速率較小，剪切變形局域化還不是很明顯。此時(shí)形成的切屑是連續(xù)的或呈現(xiàn)微小鋸齒狀的帶狀切屑，切屑鋸齒狀不明顯。

圖2 不同切削速度下絕熱剪切帶微觀組織

當(dāng)切削速度為59.6m／min時(shí)，形成了完整的鋸齒形切屑。從圖2b可以看出，絕熱剪切帶已經(jīng)形成，絕熱剪切帶內(nèi)的晶粒沿著剪切方向被拉長、碎化，經(jīng)歷了嚴(yán)重的剪切變形，形成了纖維狀結(jié)構(gòu)。圖3所示為該絕熱剪切帶的TEM形貌及其衍射花樣，從圖3可以看出，絕熱剪切帶存在細(xì)小的等軸晶粒和未細(xì)化的板條狀組織。圖3中的衍射花樣為兩相復(fù)合衍射花樣，可以分別按照α－Ti相（密排六方結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)a＝0.2950nm，c＝0.4686nm）和β－Ti相（體心立方結(jié)構(gòu)，a＝0.3283nm）的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞參數(shù)標(biāo)定，其晶帶軸分別為［0 0 0 1］α和［1 1 1］β。標(biāo)定結(jié)果表明，絕熱剪切帶為α相和β相的兩相組織。從而可以確定，當(dāng)切削速度為59.6m／min時(shí)，形成的絕熱剪切帶沒有發(fā)生相變，是形變帶。

當(dāng)切削速度增大到81.4m／min時(shí)，絕熱剪切帶顯微形貌如圖2c所示。由圖2c可見，絕熱剪切帶中心已經(jīng)發(fā)生了變化。剪切帶中心的組織結(jié)構(gòu)與周圍有所區(qū)別，其特征是晶粒非常細(xì)小，即使在金相顯微鏡高倍率下也無法辨認(rèn)其微觀組織形態(tài)。

當(dāng)切削速度增大到178.4m／min時(shí)，絕熱剪切帶微觀組織如圖2e所示。此時(shí)，絕熱剪切帶與基體的界線明顯，在絕熱剪切帶中心與基體之間已經(jīng)看不到明顯的剪切變形滑移痕跡。圖5所示為該絕熱剪切帶的TEM形貌和相應(yīng)的衍射花樣。

圖3 對(duì)應(yīng)圖2b所示絕熱剪切帶的TEM形貌及其衍射環(huán)

圖4 對(duì)應(yīng)圖2d所示絕熱剪切帶的TEM形貌及其衍射花樣

當(dāng)切削速度增大到281.3m／min時(shí)，其絕熱剪切帶微觀組織如圖2f所示，圖6是其對(duì)應(yīng)的TEM形貌和相應(yīng)的衍射環(huán)。除了衍射環(huán)對(duì)應(yīng)的納米晶外，還出現(xiàn)了衍射盤對(duì)應(yīng)的非晶組織。由圖6可見，絕熱剪切帶已經(jīng)基本非晶化。絕熱剪切帶非晶化是TC4鈦合金在高速切削時(shí)觀察到的一種新現(xiàn)象，在已檢索到的文獻(xiàn)中未見絕熱剪切帶非晶化的研究報(bào)道。

圖5 對(duì)應(yīng)圖2e所示絕熱剪切帶的TEM形貌及其衍射環(huán)

圖6 對(duì)應(yīng)圖2f所示絕熱剪切帶的TEM形貌及其衍射環(huán)

3 絕熱剪切帶顯微硬度的變化

3.1 顯微硬度的變化規(guī)律

圖7為采用401MVA顯微維氏硬度計(jì)在鋸齒形切屑的絕熱剪切帶及其周圍組織上測(cè)試硬度的壓痕照片。圖8所示為鋸齒形切屑絕熱剪切帶帶外（非絕熱剪切帶區(qū)）顯微硬度的變化規(guī)律。從圖8可以看出，絕熱剪切帶帶外的硬度隨切削速度的增大基本保持不變，且不隨與絕熱剪切帶中心的距離變化而變化。帶外硬度平均值為400.5HV0.025，略高于工件材料硬度。這表明對(duì)于鋸齒形切屑，切削變形主要集中在狹窄的絕熱剪切帶上，非絕熱剪切帶區(qū)幾乎沒有發(fā)生切削變形。

圖9所示為鋸齒形切屑絕熱剪切帶中心的顯微硬度隨切削速度的變化規(guī)律。從圖9可以看出，絕熱剪切帶中心的顯微硬度隨切削速度的增大而增大，且均高于工件材料的硬度。如當(dāng)切削速度為30.2m／min時(shí)，絕熱剪切帶的硬度為440.8HV0.025，切削速度為281.3m／min時(shí)，絕熱剪切帶的硬度增大到507.3HV0.025。

圖7 鋸齒形切屑硬度測(cè)試壓痕照片

圖8 絕熱剪切帶外的顯微硬度

圖9 絕熱剪切帶中心顯微硬度隨切削速度的變化規(guī)律

3.2 絕熱剪切帶顯微硬度變化機(jī)理分析

從上述分析可見，當(dāng)切削速度為59.6m／min時(shí)，絕熱剪切帶為形變帶；當(dāng)切削速度為81.4m／min時(shí)，絕熱剪切帶為由細(xì)小的等軸晶組成，發(fā)生了馬氏體相變（β→α″）的轉(zhuǎn)變帶；當(dāng)切削速度大于178.4m／min時(shí)，絕熱剪切帶發(fā)生了非晶化。結(jié)合圖9所示的絕熱剪切帶顯微硬度的變化規(guī)律，可以把鈦合金切削時(shí)絕熱剪切帶顯微硬度的提高分為3個(gè)階段：第1階段顯微硬度的提高來源于形變強(qiáng)化，因?yàn)樵谶@一階段絕熱剪切帶為形變帶；第2階段顯微硬度的提高來源于細(xì)晶強(qiáng)化和馬氏體相變，因?yàn)樵谶@一階段絕熱剪切帶由細(xì)小的等軸晶粒（納米晶）組成，并在形成納米晶的過程中，發(fā)生了馬氏體相變；第3階段則為非晶強(qiáng)化。在這三個(gè)階段中，第1階段形變強(qiáng)化的顯微硬度增長率最大，第2階段次之，到第3階段硬度增大趨勢(shì)變得比較平緩。由此可見，鈦合金切削時(shí)，隨著切削速度的增大，形成的鋸齒形切屑的絕熱剪切帶顯微硬度的變化規(guī)律與其微觀組織的變化的確是緊密相關(guān)的。

4 結(jié)論

（1）低速切削TC4鈦合金時(shí)，形成的鋸齒形切屑的絕熱剪切帶為形變帶；在較高切削速度下，鋸齒形切屑絕熱剪切帶為由細(xì)小的等軸晶、發(fā)生了β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢逑嗟鸟R氏體相組成的轉(zhuǎn)變帶；隨著切削速度的進(jìn)一步提高，絕熱剪切帶發(fā)生了非晶化。

（2）TC4鈦合金切削時(shí)，無論形成的鋸齒形切屑的絕熱剪切帶是形變帶還是轉(zhuǎn)變帶，其顯微硬度隨切削速度的增大一直增大，且均高于工件材料的硬度。

（3）根據(jù)絕熱剪切帶微觀組織和顯微硬度的變化規(guī)律，可將顯微硬度的提高分為3個(gè)階段：第1階段顯微硬度的提高來源于形變強(qiáng)化；第2階段顯微硬度的提高來源于細(xì)晶強(qiáng)化和馬氏體相變強(qiáng)化；第3階段則為非晶強(qiáng)化。在這3個(gè)階段中，第1階段形變強(qiáng)化的顯微硬度增長率最大，第2階段次之，到第3階段硬度增加趨勢(shì)變得比較平緩。

［1］段春爭(zhēng)，王敏杰，龐俊忠，等.高強(qiáng)度鋼正交切削過程中剪切變形局部化研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，46（3）：355－360.

［2］Cotterell M，Byrne G.Dynamics of Chip Formation During Orthogonal Cutting of Titanium Alloy Ti–6Al–4V［J］.CIRP Annals－Manufacturing Technology，2008，57（1）：93－96.

［3］Sun S，Brandt M，Dargusch M S.Characteristics of Cutting Forces and Chip Formation in Machining of Titanium Alloys［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2009，49（7／8）：561－568.

［4］Gente A，Hoffmeiste H W.Chip Formation in Machining Ti6A14Vat Extremely High Cutting Speeds［J］.CIRP Annals－ Manufacturing Technology，2001，50（1）：49－52.

［5］Velasquez J D P，Bolle B，Chevrier P，et al.Metallurgical Study on Chips Obtained by High Speed Machining of a Ti–6wt.%Al–4wt.%V Alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2007，452／453：469－474.

［6］Bayoumi A E，Xie J Q.Some Metallurgical Aspects of Chip Formation in Cutting Ti－6wt.%Al－4wt.%V Alloy［J］.Materials Science and Engineering A，1995，190（1／2）：173－180.

［7］Wang B F.Adiabatic Shear Band in a Ti－3Al－5Mo－4.5VTitanium Alloy［J］.J.Mater.Sci.，2008，43（5）：1576－1582.

［8］汪冰峰，楊揚(yáng).鈦合金TC16中絕熱剪切帶的微觀結(jié)構(gòu)演化［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2007，17（11）：1767－1772.

［9］王敏杰，段春爭(zhēng)，劉洪波.正交切削切屑形成中絕熱剪切行為的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2004，15（18）：1603－1606.

［10］Duan C Z，Wang M J.Characteristics of Adiabatic Shear Bands in the Orthogonal Cutting of 30CrNi3MoV Steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，168（1）：102－106.

［11］Dolin?ek S，Ekinovic＇S，KopaˇcJ.A Contribution to the Understanding of Chip Formation Mechanism in High－speed Cutting of Hardened Steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，157／158（SI）：485－490.

［12］Vyas A，Shaw M C.Mechanics of Saw－tooth Chip Formation in Metal Cutting［J］.ASME J.Manuf.Sci.Eng.，1999，121（2）：163－172.

［13］Barry J，Byrne G.The Mechanisms of Chip Formation in Machining Hardened Steels［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering－Transactions of the ASME，2002，124（3）：528－535.

［14］楊勇，柯映林，董輝躍.鈦合金切削絕熱剪切帶形成過程的有限元分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，42（3）：534－538.

［15］Yang Y，Li J F.Study on Mechanism of Chip Formation During High－speed Milling of Alloy Cast Iron［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010，46（1／4）：43－50.

［16］楊揚(yáng)，程信林，李正華，等.冶金因素影響絕熱剪切帶形成的金相觀察［J］.稀有金屬材料與工程，2003，32（4）：261－263.

［17］Yang Yang，Wang B F.Dynamic Recrystallization in Adiabatic Shear Band inα－titanium［J］.Materials Letters，2006，60（17／18）：2198－2202.

［18］Yang Yang，Xiong Jun，Yang Xuyue.Microstructure Evolution Mechanism in Adiabatic Shear Band in TA2［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2004，14（4）：670－674.