增強(qiáng)顆粒對(duì)切削SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成過(guò)程的影響機(jī)理

段春爭(zhēng)， 劉玉敏， 孫偉， 車(chē)明帆

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024; 2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 河南 漯河 462000)

0 引言

碳化硅鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料是以鋁或鋁合金為基體材料、碳化硅(SiC)顆粒為增強(qiáng)體的一種金屬基復(fù)合材料。由于SiC增強(qiáng)顆粒的加入，使該材料的性能明顯改善，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好、耐磨及耐腐蝕性優(yōu)異的特點(diǎn)[1-2]，對(duì)于高體分比SiCp/Al復(fù)合材料，其綜合性能更為優(yōu)異[3]；而且這種材料相比于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料易于制造、成本較低，在先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車(chē)、光學(xué)精密儀器、電子封裝和體育用品等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[4-5]。但是，連續(xù)金屬材料中摻入高強(qiáng)度的SiC顆粒，導(dǎo)致SiCp/Al復(fù)合材料切削加工性變差、刀具磨損嚴(yán)重，其切屑形成機(jī)理不同于傳統(tǒng)連續(xù)金屬材料[6-7]。因此，研究SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)該材料的切削加工方法和提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。為此，一些學(xué)者開(kāi)展了SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成方面的研究。El-Gallab等[8]對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料切屑橫截面進(jìn)行了微觀觀察，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒沿剪切帶排列，并指出該現(xiàn)象是基體材料發(fā)生塑性變形導(dǎo)致的，但是并沒(méi)有對(duì)SiC顆粒沿剪切面的排列機(jī)制進(jìn)行深入分析。Joshi等[9]對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料切屑形態(tài)和切屑根部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生于切屑自由表面，并沿剪切面向刀刃處擴(kuò)展，形成鋸齒形切屑，但并未揭示裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致形成鋸齒形切屑的內(nèi)在機(jī)制。SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成過(guò)程中顆粒的斷裂和破碎也是影響切屑形成的重要因素，Quan等[10]研究了刀尖擠壓引起的顆粒破碎，而實(shí)際上主剪切區(qū)和第2變形區(qū)也會(huì)發(fā)生顆粒斷裂和破碎，對(duì)于這種顆粒斷裂與破碎機(jī)制的研究卻鮮有涉及。

切屑根部能直觀地反映切削過(guò)程中的切削狀態(tài)，是研究切屑形成機(jī)理的有效方式，而切屑根部通常需要通過(guò)快速落刀裝置獲取。葛英飛等[11]在低速切削條件下通過(guò)突然停車(chē)的方式獲得了低體分比SiCp/Al復(fù)合材料的切屑根部，對(duì)切屑根部和切屑進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)材料中微裂紋的動(dòng)態(tài)形成和擴(kuò)展以及剪切角周期性變化是切屑形成的主要機(jī)制，但是其根部是在很低的切削速度下獲得的。Lin等[12]通過(guò)爆炸式快速落刀裝置獲得了20%體分比SiCp/Al復(fù)合材料的切屑根部，發(fā)現(xiàn)切屑自由表面處裂紋沿剪切面擴(kuò)展，顆粒與基體界面發(fā)生脫粘使切屑呈半連續(xù)的鋸齒狀。但是爆炸式快速落刀裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，使用時(shí)沖擊大，對(duì)切屑根部產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)中高體分比的SiCp/Al復(fù)合材料影響更大。因此，需要設(shè)計(jì)一種加速度大、沖擊小的快速落刀裝置，以期對(duì)中高體分比的SiCp/Al復(fù)合材料也能獲得有效的切屑根部。

本文為獲取SiCp/Al復(fù)合材料切屑根部試樣，設(shè)計(jì)了一種新型彈簧式快速落刀裝置，通過(guò)采用高速攝影相機(jī)記錄刀尖落刀軌跡，計(jì)算落刀速度、加速度，定量驗(yàn)證了該裝置進(jìn)行切屑根部采樣的有效性。然后，采用該裝置獲取SiCp/Al復(fù)合材料切屑根部，并通過(guò)觀察切屑和切屑根部微觀形貌，從基體塑性變形、顆粒斷裂與破碎、裂紋擴(kuò)展等方面深入分析并揭示了增強(qiáng)顆粒對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案與過(guò)程

1.1 快速落刀裝置

研究金屬材料切屑形成機(jī)理，快速落刀是一種有效的方法[13]。本文設(shè)計(jì)的彈簧式快速落刀裝置如圖1所示，主要由壓緊螺栓、圓柱導(dǎo)軌、壓板、壓力彈簧、刀桿、凸輪桿、緩沖塊、鋼絲、活節(jié)螺釘、長(zhǎng)螺母等組成。

為測(cè)定快速落刀裝置的加速度，用日本Photron公司產(chǎn)SA4高速攝影相機(jī)以2 250幀/s的速度記錄刀尖的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為了更清晰地觀察，將刀具下落時(shí)前4個(gè)位置圖片左右錯(cuò)開(kāi)放置，如圖2所示。刀尖的位移、速度、加速度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 刀尖運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可知：此彈簧式快速落刀裝置加速度大，刀具能在很短的時(shí)間內(nèi)退出切削，不破壞切屑根部，試驗(yàn)時(shí)可在一定范圍內(nèi)根據(jù)需要調(diào)節(jié)彈簧壓縮量，改變加速度大小，對(duì)于中低速切削能很好地滿足試驗(yàn)要求。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在沈陽(yáng)機(jī)床廠產(chǎn)CA6140車(chē)床上進(jìn)行，采用SiCp/2024Al復(fù)合材料，其外形為圓筒狀，外徑120 mm，內(nèi)徑100 mm，試驗(yàn)前將工件外圓表面加工成若干環(huán)形，如圖3所示。試驗(yàn)刀具采用聚晶金剛石(PCD)刀具，其刀具前角為5°，后角為7°，切削刃半徑為2～3 μm. 試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖3為試驗(yàn)中采用的正交切削示意圖，試驗(yàn)過(guò)程中收集切屑后再觸發(fā)落刀裝置獲取根部。圖4(a)為所獲得的切屑根部試樣，用線切割機(jī)床分離切屑根部與工件。試驗(yàn)得到的切屑及切屑根部試樣垂直鑲嵌在牙托粉中，如圖4(b)所示，通過(guò)研磨、拋光和腐蝕制成顯微觀察試樣，并利用德國(guó)徠卡公司MEF4A型金相顯微鏡和FEI公司Q45型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行切屑和切屑根部微觀觀察。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成受基體和增強(qiáng)顆粒的綜合影響，SiC顆粒阻礙基體塑性變形，同時(shí)基體塑性變形影響SiC顆粒排列。界面狀態(tài)和SiC顆粒去除形式影響裂紋擴(kuò)展，而裂紋擴(kuò)展的程度影響SiCp/Al復(fù)合材料切屑的形態(tài)。因此，研究基體塑性變形、顆粒的去除機(jī)理以及裂紋的擴(kuò)展對(duì)研究SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成機(jī)理具有重要意義。

2.1 基體塑性變形及其對(duì)顆粒排列的影響機(jī)制

連續(xù)金屬材料的切削過(guò)程中，在切削力的作用下，材料會(huì)發(fā)生塑性變形；SiCp/Al復(fù)合材料中雖然加入了硬質(zhì)顆粒，但在切削過(guò)程中，鋁基體仍然會(huì)發(fā)生塑性變形，而且這種塑性變形會(huì)受顆粒的影響，同時(shí)鋁基體的塑性變形也對(duì)顆粒分布產(chǎn)生影響。圖5為顆粒體分比40%、顆粒尺寸15 μm、切削速度v=120 m/min、進(jìn)給量f=0.2 mm條件下的SiC顆粒沿剪切帶排列情況。由圖5可知，在原鋁基體中SiC顆粒隨機(jī)分布，經(jīng)過(guò)剪切區(qū)后，SiC顆粒沿剪切帶呈規(guī)則排列?？拷暗睹娴那行嫉撞繀^(qū)域，顆粒的排列線的切線與刀具前刀面夾角θ逐漸變小，這是因?yàn)榛w材料在高溫下產(chǎn)生塑性變形，使得SiC顆粒沿剪切帶排列[8]。Iuliano等[14]針對(duì)這種現(xiàn)象提出了一種顆粒沿剪切帶排列的Pijspanen模型，但是沒(méi)有分析顆粒的排列機(jī)制。

為深入分析顆粒的排列機(jī)制，本文提出一種顆粒沿剪切面排列的力學(xué)模型(見(jiàn)圖6)，為了分析顆粒在切屑形成過(guò)程中的流動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，將SiC顆粒簡(jiǎn)化為橢圓形。圖6(a)中v為切削速度，ac為切削厚度。在切削過(guò)程中，基體經(jīng)過(guò)剪切區(qū)時(shí)沿切削速度方向流動(dòng)的同時(shí)在剪切應(yīng)力的作用下沿剪切面滑移，若滑移面上SiC顆粒阻礙基體滑移，則基體滑移從阻力最小的方向繞過(guò)顆粒，從而使得基體對(duì)顆粒產(chǎn)生力和力矩，顆粒流動(dòng)的狀態(tài)受到影響，如圖6(b)所示。圖6(b)中，F(xiàn)1、F2、F4分別為顆粒1、顆粒2、顆粒4在滑動(dòng)過(guò)程中受基體滑移影響沿滑移線切線方向的分力。若基體滑移從顆粒后方繞過(guò)，則其分力F1因與顆粒滑移方向相同使得顆粒的流動(dòng)速度加快，如圖6(b)顆粒1所示；反之，若基體滑移從顆粒前方繞過(guò)，則其產(chǎn)生的分力F2因與顆?；品较蛳喾词沟妙w粒流動(dòng)速度減慢，如圖6(b)中顆粒2所示。同時(shí)，基體滑移對(duì)顆粒產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T，使得顆粒朝著對(duì)基體塑性滑移阻礙最小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，圖6(b)中T1、T2、T4分別為顆粒1、顆粒2、顆粒4的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。這種機(jī)制的宏觀效果是無(wú)規(guī)則分布的顆粒在經(jīng)過(guò)剪切區(qū)后沿滑移面呈有規(guī)則的排列，并且顆粒的長(zhǎng)度方向大致與滑移方向平行，圖6(b)中顆粒1～顆粒4經(jīng)過(guò)剪切區(qū)排列后分別變?yōu)轭w粒1′～顆粒4′，顆粒2′～顆粒4′排列在一條線上，而顆粒1′與顆粒2′、顆粒3′、顆粒4′錯(cuò)開(kāi)排列在不同的線上。

在第2變形區(qū)，由于前刀面與切屑底部的壓力和摩擦力很大，使切屑底層靠近前刀面處的基體纖維化，基體流動(dòng)速度變緩，甚至停滯在前刀面上，加上此處溫度較高，使切屑底部與前刀面發(fā)生粘結(jié)，導(dǎo)致基體之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，即表現(xiàn)為基體的滑移剪切，方向與前刀面平行。切屑底部基體滑移對(duì)顆粒產(chǎn)生力和力矩，切屑內(nèi)表面附近顆粒相對(duì)于遠(yuǎn)離內(nèi)表面處的顆粒流動(dòng)速度更小，且順著基體滑移方向轉(zhuǎn)動(dòng)幅度更大，如圖6(b)中顆粒4″所示，從而導(dǎo)致顆粒與前刀面距離越小，顆粒的排列方向與前刀面的夾角越小。然而，在SiCp/Al復(fù)合材料實(shí)際加工過(guò)程中，由于顆粒經(jīng)過(guò)剪切區(qū)和第2變形區(qū)的時(shí)間很短，顆粒并未完成整個(gè)排列過(guò)程即流出變形區(qū)，因此顆粒排列不是絕對(duì)的整齊。

2.2 顆粒斷裂與破碎機(jī)理

切削SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)，存在著大量的顆粒斷裂和拔出，這是影響切削力波動(dòng)和已加工表面質(zhì)量的重要因素。圖7(a)為顆粒體分比40%、顆粒尺寸60 μm復(fù)合材料的原始金相圖，可以看出圖中并沒(méi)有斷裂的顆粒。圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)為不同切削條件下這種復(fù)合材料切屑根部，觀察可知，不同切削條件下切屑根部的未切削區(qū)域與圖7(a)一致，沒(méi)有斷裂的顆粒，切屑區(qū)域的顆粒尺寸明顯小于未切削區(qū)域，而顆粒數(shù)量大于未切削區(qū)域，表明剪切變形過(guò)程中顆粒發(fā)生了斷裂。如圖7中A處所示，剪切區(qū)顆粒在落刀時(shí)刻正在發(fā)生斷裂，這是因?yàn)榧羟袇^(qū)基體產(chǎn)生滑移，應(yīng)力很大，當(dāng)顆粒進(jìn)入剪切區(qū)時(shí)，基體對(duì)其有很大的應(yīng)力，迫使顆粒沿剪切力的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，由于顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)跟不上基體滑移的速度，并且受周?chē)w粒阻礙和干涉，基體對(duì)顆粒的應(yīng)力迅速增加，當(dāng)顆粒所受的應(yīng)力達(dá)到顆粒的斷裂強(qiáng)度時(shí)，顆粒發(fā)生斷裂。若顆粒為細(xì)長(zhǎng)狀，則抗斷裂的性能差，更容易發(fā)生斷裂，因此在切屑中很少存留細(xì)長(zhǎng)狀的顆粒。大尺寸顆粒移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，顆粒之間容易產(chǎn)生干涉，易發(fā)生斷裂；反之小尺寸顆粒隨基體流動(dòng)性能好，不易發(fā)生斷裂，圖5所示顆粒平均尺寸為15 μm，切屑中的顆粒平均尺寸與未削區(qū)域相比基本一致，表明很少顆粒發(fā)生斷裂。

SiCp/Al復(fù)合材料中隨機(jī)分布大量的SiC顆粒，切削過(guò)程中，刀刃不斷地與基體和高強(qiáng)度的顆粒交替接觸，承受顆粒的沖擊，導(dǎo)致顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料加工性差和刀具磨損嚴(yán)重[5]。切削過(guò)程中，顆粒相對(duì)于刀刃的位置對(duì)顆粒的去除機(jī)制有重要影響，如圖8所示。顆粒相對(duì)刀刃切削路徑的位置可以分為3種情況[15]：1)顆粒穿過(guò)刀刃運(yùn)動(dòng)路徑(見(jiàn)圖8(a))；2)顆粒在刀刃路徑的上方(見(jiàn)圖8(b))；3)顆粒在刀刃路徑的下方(見(jiàn)圖8(c))。在刀刃切削路徑上方的顆粒隨著基體流動(dòng)到切屑中，在刀刃切削路徑下方的顆粒留在已加工表面，而穿過(guò)刀刃切削路徑的顆粒，被刀刃切斷而破碎，可能轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入切屑或留在工件表面。

圖7中B處切屑底部和已加工表面處的顆粒數(shù)量明顯比其他區(qū)域多，而且顆粒尺寸較小，這些顆粒主要是處于刀刃路徑上的顆粒，經(jīng)刀具切削后，斷裂或破碎成的小顆粒，一部分顆粒流入切屑底面，另一部分留在已加工表面[10]。刀刃切削SiC顆粒的過(guò)程是硬脆材料的切削過(guò)程，當(dāng)顆粒所受的應(yīng)力超過(guò)其抗拉極限時(shí)顆粒發(fā)生斷裂，這個(gè)過(guò)程伴有小塊碎屑。

在第2變形區(qū)(圖7中C處)，一部分顆粒的斷裂和破碎是由于切屑底部受前刀面擠壓和摩擦，切屑底部基體發(fā)生塑性變形[16]。顆粒在流動(dòng)的過(guò)程中受前刀面很大的壓力和摩擦力以及基體塑性變形和顆粒干涉對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)，劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量使得此區(qū)域的溫度高，顆粒承受很大的熱應(yīng)力，當(dāng)顆粒所受的綜合應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，顆粒發(fā)生斷裂或破碎。

另外，刀刃附近的已加工表面受到刀刃鈍圓部分以及后刀面的擠壓、摩擦，基體產(chǎn)生變形，顆粒也受到擠壓，承受很大的壓應(yīng)力，有顆粒被壓入基體。但是，顆粒由于強(qiáng)度低或者受基體和下方顆粒的阻礙，顆粒所受的壓應(yīng)力瞬間增大，達(dá)到強(qiáng)度極限，顆粒發(fā)生斷裂和破碎，圖7中D處所示的顆粒在落刀的時(shí)刻正在發(fā)生破碎。

2.3 裂紋及其擴(kuò)展

2.3.1 SiCp/Al復(fù)合材料中的裂紋源

復(fù)合材料中的裂紋源包括材料在制造過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋源以及在切削過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋源。前者是由于材料制造過(guò)程中的工藝缺陷，如氣孔、偏析、界面結(jié)合缺陷等[17]，如圖9中箭頭所示。在中高體分比的制造過(guò)程中，由于SiC顆粒密集，顆粒與顆粒之間的間隙越小，基體充滿間隙越困難，出現(xiàn)界面結(jié)合缺陷的概率越高，裂紋源的密度也更大。而在切削過(guò)程中，當(dāng)基體滑移受到顆粒的阻礙時(shí)，在界面處形成位錯(cuò)積塞，可能形成微裂紋；在切削過(guò)程中，顆粒棱角處的應(yīng)力集中、界面處基體滑移的剪切應(yīng)力以及基體與顆粒熱膨脹系數(shù)不同引起的位錯(cuò)失配應(yīng)力都可能使基體與顆粒的界面發(fā)生脫粘，形成微裂紋[10]，這種裂紋源大多分布在基體與顆粒的結(jié)合面；另外，顆粒斷裂或破碎之后形成的空隙也是裂紋源。

圖10為顆粒體分比40%、顆粒尺寸15 μm、切削速度v=120 m/min、進(jìn)給量f=0.1 mm/r條件下SiCp/Al復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展情況。切削過(guò)程中，裂紋源匯集成裂紋并擴(kuò)展(見(jiàn)圖10)，與原基體相比，經(jīng)過(guò)剪切區(qū)后的切屑區(qū)域存在很多裂紋，且主要集中在顆粒聚集處。

2.3.2 裂紋擴(kuò)展

切削時(shí)，顆粒經(jīng)過(guò)主剪切區(qū)，顆粒在基體滑移的作用下有序地聚集排列在一起，SiC顆粒易發(fā)生脫粘、斷裂和破碎，周?chē)纬煽斩矗丶羟袔нB接并形成微裂紋[8]，微裂紋隨著顆粒與基體的流動(dòng)不斷地運(yùn)動(dòng)，微裂紋匯集合并成主裂紋，在切屑內(nèi)部沿剪切面擴(kuò)展，如圖10中C處，這與陸正杰[18]仿真車(chē)削60%體分比SiCp/Al復(fù)合材料結(jié)果一致。剪切面上的自由表面一側(cè)處于基體滑移的末端，基體與顆粒的界面在此處承受很大的應(yīng)力，且邊界處壓應(yīng)力基本為0[12]，裂紋從切屑自由表面(圖10中B處)萌生并沿剪切面向切屑底部方向擴(kuò)展直至與切屑內(nèi)部沿剪切面擴(kuò)展的裂紋貫通。圖10中A處裂紋擴(kuò)展并沒(méi)有到達(dá)切屑底部，這是因?yàn)榧羟袇^(qū)底部存在較高的壓應(yīng)力抑制了裂紋在切屑底部的擴(kuò)展，另外，切屑底部材料與前刀面劇烈摩擦，發(fā)生2次塑性變形，產(chǎn)生高溫使得一些裂紋閉合[9,11]。

2.4 切屑形成

SiCp/Al復(fù)合材料中的顆粒對(duì)切屑形成有重要影響，圖11為SiCp/Al復(fù)合材料不同切削參數(shù)得到的切屑。從圖11可以看出，SiCp/Al復(fù)合材料切屑形態(tài)整體呈不規(guī)則鋸齒狀，且鋸齒化程度隨著切削速度的增大而減小(見(jiàn)圖11(a)、圖11(b)、圖11(c))，隨著進(jìn)給量(見(jiàn)圖11(c)、圖11(d)、圖11(e))和顆粒體分比(見(jiàn)圖11(g)、圖11(h)、圖11(i))的增大而增大。顆粒尺寸越小，顆粒隨基體塑性變形排列越規(guī)則，但是顆粒尺寸大小對(duì)切屑的鋸齒化程度影響不明顯(見(jiàn)圖11(c)、圖11(h)、圖11(f))。連續(xù)型金屬材料鋸齒形切屑形成是由絕熱剪切引起的，SiCp/Al復(fù)合材料不同于連續(xù)金屬材料，剪切面裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致了鋸齒狀切屑的形成[12]，如圖12所示，SiCp/Al復(fù)合材料切屑鋸齒邊界分布著大量的顆粒，這些顆粒是裂紋擴(kuò)展時(shí)裸露出來(lái)的，這也表明鋸齒邊界是由于裂紋擴(kuò)展形成的。圖11中，SiCp/Al復(fù)合材料切屑鋸齒齒頂傾向根部一側(cè)，而且這一側(cè)鋸齒的邊界直通裂紋底部，表明SiCp/Al復(fù)合材料形成鋸齒狀切屑是由于裂紋從自由表面向切屑底部突發(fā)擴(kuò)展引起的。由于裂紋萌生位置具有一定隨機(jī)性，導(dǎo)致切屑呈不規(guī)則的鋸齒狀[12]。

通過(guò)以上分析可知，剪切面裂紋的擴(kuò)展對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料切屑形態(tài)有重要影響，而SiCp/Al復(fù)合材料中顆粒是裂紋形成和擴(kuò)展的主要因素。在低速時(shí)，裂紋擴(kuò)展得不到抑制，因此切屑鋸齒化程度大，隨著切削速度的增大，基體塑性增強(qiáng)，鋁基體及界面不易萌生微裂紋，導(dǎo)致微裂紋減少，裂紋擴(kuò)展程度降低，使得切屑自由表面附近裂紋兩側(cè)的相對(duì)滑移降低，切屑在自由表面處隆起程度減弱，切屑鋸齒化程度降低；隨著切屑厚度的增大，剪切區(qū)變寬，基體滑移量變大，顆粒在界面處更容易產(chǎn)生脫粘而形成裂紋并擴(kuò)展，切屑鋸齒化程度也越大；顆粒體分比增大，基體與顆粒界面數(shù)量增多，同時(shí)基體塑性流動(dòng)越困難，剪切區(qū)裂紋越容易擴(kuò)展，切屑的鋸齒化程度也越大；顆粒尺寸越大，對(duì)基體塑性變形的阻礙越大，顆粒隨基體的塑性流動(dòng)性越差，切屑中顆粒的排列越不規(guī)則。對(duì)于相同積分比的SiCp/Al復(fù)合材料，顆粒尺寸越大，一方面，結(jié)合界面的數(shù)量和面積減小，發(fā)生界面脫粘的數(shù)量和面積減小，裂紋源的數(shù)量減少，裂紋擴(kuò)展程度越低；另一方面，顆粒尺寸越大，越容易發(fā)生斷裂，顆粒斷裂產(chǎn)生的空隙使裂紋源的數(shù)量增加，裂紋擴(kuò)展程度越大。顆粒尺寸變化對(duì)切屑鋸齒化程度的影響為上述兩方面綜合作用的結(jié)果，圖11中(c)、圖11(f)、圖11(h)中3種顆粒度的切屑鋸齒化程度變化不明顯，表明顆粒尺寸對(duì)切屑鋸齒化程度的影響不顯著。

2.5 剪切區(qū)變形理論計(jì)算

為了量化剪切區(qū)變形程度，基于SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成過(guò)程模型(見(jiàn)圖13)，提出了一種剪切區(qū)變形計(jì)算方法，用于計(jì)算SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成過(guò)程中剪切應(yīng)變及剪切應(yīng)變率，如圖15所示。基于基體的塑性排列機(jī)制可知，將排列線間距近似為剪切區(qū)寬度s，顆粒排列線與切屑底邊夾角θ，則90°+γ0-θ為剪切角φ.

(1)

(2)

由(1)式、(2)式，并通過(guò)顯微測(cè)量就可獲得SiCp/Al復(fù)合材料切屑形成過(guò)程中集中變形區(qū)的應(yīng)變及應(yīng)變率。由于SiCp/Al復(fù)合材料鋸齒形切屑的鋸齒節(jié)并非周期性形成，具有一定的隨機(jī)性，這時(shí)，每個(gè)切屑測(cè)量3個(gè)不同位置的切屑形狀參數(shù)求取平均值。最終，剪切應(yīng)變及剪切應(yīng)變率隨顆粒尺寸和顆粒體分比的變化如圖16所示。

由圖16(a)可知，隨著顆粒尺寸的減小，剪應(yīng)變及剪應(yīng)變率均增加，這可根據(jù)應(yīng)變梯度理論進(jìn)行解釋。Liu等[19]認(rèn)為顆粒尺寸越小基體材料中應(yīng)變梯度越大，而高的應(yīng)變梯度會(huì)減小材料失穩(wěn)的臨界應(yīng)變條件，即表現(xiàn)為材料更容易發(fā)生劇烈的剪切變形。另外，顆粒尺寸的增加會(huì)導(dǎo)致剪應(yīng)變和剪應(yīng)變率減小，表明顆粒尺寸增加阻礙剪切區(qū)劇烈變形，從而限制了劇烈的塑性流動(dòng)以及裂紋擴(kuò)展。由圖16(b)可知，隨著顆粒體分比的增加，剪應(yīng)變及應(yīng)變率增加。顆粒體分比的增加，導(dǎo)致顆粒與顆粒之間的間距縮小，基體與顆粒界面數(shù)量增多，界面脫粘引起微裂紋的可能性越大；同時(shí)，基體塑性流動(dòng)越困難，剪切區(qū)裂紋越容易擴(kuò)展。這些由裂紋萌生及擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致剪切區(qū)變形程度增加，使得剪切應(yīng)變及剪切應(yīng)變率增加。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型彈簧式快速落刀裝置，測(cè)定了其初始加速度，并獲得了SiCp/Al復(fù)合材料切屑根部試樣。通過(guò)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料切屑和切屑根部試樣進(jìn)行顯微觀察，研究了切削SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形成過(guò)程，揭示了增強(qiáng)顆粒對(duì)切屑形成機(jī)理的影響機(jī)理，并提出了一種剪切區(qū)變形計(jì)算方法，研究了增強(qiáng)顆粒對(duì)剪切區(qū)變形的影響。具體結(jié)論如下：

1)計(jì)算得出自制的新型彈簧式快速落刀裝置初始加速度為6 480 m/s2，刀具能在很短的時(shí)間內(nèi)退出切削，不破壞切屑根部，驗(yàn)證了該快速落刀裝置進(jìn)行切屑根部采樣的有效性。

2)剪切面基體塑性滑移對(duì)顆粒產(chǎn)生力和力矩，顆粒速度發(fā)生變化，并朝著對(duì)基體塑性滑移阻礙最小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終沿剪切帶排列。切屑底部基體的2次塑性變形使底部顆粒速度減小，使得切屑底部顆粒排列線與前刀面的夾角變小。

3)切屑形成過(guò)程中剪切區(qū)顆粒受基體塑性變形應(yīng)力發(fā)生斷裂，工件與切屑分離面的顆粒被刀刃切斷，切屑底部顆粒受基體2次塑性變形應(yīng)力發(fā)生斷裂，刀尖處已加工表面的顆粒被刀尖擠壓發(fā)生破碎。

4)由于SiC顆粒沿剪切區(qū)排列聚集，顆粒易發(fā)生脫粘、斷裂和破碎，形成微裂紋，微裂紋從自由表面和剪切面內(nèi)部沿剪切面擴(kuò)展。

5)裂紋沿剪切面擴(kuò)展，使切屑受力不平衡，切屑加速流出，同時(shí)裂紋沿剪切面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而形成不規(guī)則鋸齒形切屑。切屑的鋸齒化程度與裂紋的擴(kuò)展程度有關(guān)，切削速度大，切削溫度升高，基體塑性高，裂紋擴(kuò)展程度低，切屑的鋸齒化程度小。

6)顆粒尺寸的增加，使剪切應(yīng)變及剪切應(yīng)變率減?。活w粒體分比增加，使剪切應(yīng)變及剪切應(yīng)變率增加。