大應變切削中切削速度對純銅納米晶切屑微結構及性能的影響

吳春凌，聶 斌，陳 斌

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430000；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430048；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430000；4.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430000）

1 引言

超細晶材料由于具有晶粒細小、晶界面積大及缺陷密度高等特點，有著優異的物理性能和化學性能，在光、電、磁、熱等領域中可以有廣泛的應用前景［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生劇烈塑性變形從而形成高強度的超細晶切屑［4-6］，同時克服了傳統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［9-10］通過LSM 成功制備出具有納米結構的純銅和Al6061-T6合金切屑一次大應變切削后，銅和鋁合金切屑的累積應變分別達到13和5.2，晶粒尺寸由原來的50μm和20μm分別細化至（200～300）μm和（50～80）μm，硬度由原來的55HV和110HV分別提高至150HV和160HV。文獻［11］發現刀具前角是改變切屑應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細化至（0.15～2.71）μm，顯微硬度比母材增加了44%。文獻［12］在切削速度為1m/s和1.7m/s，刀具前角為0°和-10°條件下對等原子CrFeMnNi高熵合金進行切削，觀察到其顯微組織都有超細晶粒，當切削速度為1.0m/s、刀具前角為-10°時，得到的超細晶粒比其他切削條件更均勻，切屑試樣的抗拉強度高于母材，但塑性顯著降低。文獻［13］利用LSEM制備Al6063超細晶切屑時發現，切應變會隨著切屑壓縮比的增加和前角的減小而增加，微晶尺寸會隨著應變速率的增加而增加。文獻［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 超細晶鋁合金切屑，隨著退火溫度由100℃升至400℃且退火處理時間為1h，晶粒形態由細小的等軸晶變為大量的細長顆粒，尺寸由（150～600）μm增大至（300～800）μm，切屑的硬度值會從1430MPa減少至803MPa。文獻［15］運用LSEM一次變形生產AZ31B鎂合金板材時得到，通過控制絕熱加熱和動態再結晶程度，可獲得超細晶（100～500)μm和常規細晶（2～5)μm的顯微組織。文獻［16］將Al-7075塊體浸入液氮中進行LSM，與常溫切削對比，低溫下得到的切屑表面光滑，形狀連續，其內部微觀組織的錯位密度更高，提升了材料的塑性，且低溫抑制了材料軟化和動態回復，切屑的顯微硬度隨著速度的增加而下降趨勢減緩，硬度值趨于在（146～167）HV范圍內。文獻［17］運用大應變擠出工藝（LSEM）在低溫切削條件下制備AZ61鎂合金切屑時發現，相比常溫切削，低溫機械加工樣品呈現出更高的顯微硬度和更高的晶粒細化，且熱軟化下降。文獻［18］對鎳基高溫合金、鈷鎳類鋼和鋁合金進行超高速切削研究發現，隨著切削速度提高，變形區材料溫度會升高，在擴散蠕變控制塑性變形階段，變形部位材料迅速發生恢復再結晶，使材料的塑性得到提高。

研究學者對大應變常溫、低溫切削過程中刀具前角對切屑變形參數、微結構和力學性能的影響做了大量研究，發現刀具前角是影響切屑塑性變形的最主要因素，但對切削速度對超細晶切屑的變形參數、微結構和力學性能的影響規律研究還有不足，本文通過Deform-3D對純銅材料進行模擬和實驗切削，分析不同切削速度對切削變形區等效應變、應變速率、切削溫度、切屑微結構和力學性能的影響并探索產生的原因及規律。

2 模擬與分析

2.1 離散單元模型的建立

實驗材料選用紫銅管材，外徑為70mm，壁厚為5mm，其再結晶溫度為（200～280）℃，熔點為1083℃，晶粒呈現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，切削參數選取為紫銅切削深度ap=0.1mm，進給量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，模擬切削過程中各個變形參數的分布狀況，如圖2所示。

圖2 大應變切削過程中變形參數的分布狀況Fig.2 Distribution of Deformation Parameters During Large Strain Machining

在保持刀具固定的前提下，工件相對刀具以速度V0從左至右的方向進行水平移動。圖2顯示，當步數為400時，切削變形主要集中在第一變形區，最大剪應變值和最高溫度都發生在切屑與刀具前刀面的接觸區域，主要是因為被切削材料在第一變形區由于集中切削的作用，切屑排出時受到劇烈擠壓，從而底層繼續產生劇烈變形，故最大等效應變和最高溫度變化主要集中在第二變形區，而等效應變率的變化主要在第一變形區，是因為其數值隨著切削材料與刀具切屑刃距離的減小而增大。

運用圖2所示的模型，改變刀具前角和切削速度，將得到的數據制成圖表，如圖3所示。

圖3 切削過程中切削速度對切削等效應變速率、等效應變和切削溫度影響規律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，最大等效應變從5.49 逐漸降至4.36，等效應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，等效應變從3.50逐漸降至2.66，等效應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℃。

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

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。切削實驗裝置為CA6140車床，轉速分別設置為25r/min、50r/min、108r/min、130r/min、260r/min，對應車削速度即為42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s。

切削刀具選用高速鋼，刀具后角統一為α0=5°，刀具前角分別為γ0=-20°和20°。

切削時采用自動進給，采用0.1mm/r，切削深度為0.1mm。實驗裝置車床，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 制備大應變銅切屑。通過EBSD技術觀測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的狀況，第二列局部平均取向差圖（KAM）反映位錯密度狀況，二個區域表示位錯密度最低或中等區域，第三列為切屑EBSD再結晶圖，如圖5所示。

圖5 刀具前角為-20°時，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，切屑由均勻且細密的等軸晶粒組成，晶粒尺寸主要在0.35μm以下，由于原始粗晶粒發生剪切變形,晶粒滑移產生了大量的位錯，晶粒內部位錯呈樹枝狀，晶粒內部密度較高，小尺寸紅色變形晶和小尺寸藍色再結晶占得比例偏多。

切削速度為183.6mm/s和221mm/s時，切屑內部晶粒細化減弱，較大尺寸晶粒增多，樹枝狀結構和等軸狀結構明顯減少，晶粒內部位錯密度低，黃色的亞晶和藍色的再結晶比例較高，紅色變形晶分布少，說明隨著切削溫度的增加，使得晶粒內部再結晶過程趨于穩定，晶粒尺寸開始增大。

切削速度為442mm/s時，大尺寸晶粒明顯增加，晶粒尺寸大于1μm，無規律地分布在小尺寸晶粒之間，且切削溫度進一步升高導致材料發生熱軟化，使晶粒發生軟化變形，大尺寸變形晶粒開始增多。

隨著切削速度的提高，切屑的等效應變略微下降，導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的溫度從而使切屑材料的晶粒發生動態回復，削弱晶粒的細化程度,通過熱激活促使位錯滑移導致位錯重新組合和抵消,導致位錯密度減小,削弱了位錯強化的作用。

切削速度的提高也會導致材料發生塑性變形的速度加快，使切屑在短時間內不能完全充分的塑性變形，部分大尺寸晶粒得以保留，從而削弱了細晶強化的作用,降低了變形阻力并減輕了塑性變形所產生的加工硬化。

為了對比正負刀具前角在切削過程中切削速度對切屑微結構的影響差異，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 對工件進行與負前角相同條件下的大應變切削。通過EBSD技術觀測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，晶粒內部位錯密度變化程度不大，速度為183.6mm/s時略有降低，晶粒內部主要以再結晶和亞晶為主，且晶粒分布均勻。

說明切削速度對20°刀具下制備的超細晶切屑在晶粒尺寸、位錯密度和再結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，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計結果，如圖7所示。

圖7 切屑晶粒尺寸統計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，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，大尺寸晶粒開始增多，少量晶粒尺寸大于1μm。對比圖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，晶粒尺寸會隨著速度的增加而增大，而20°前角下，不同切削速度對晶粒尺寸的影響不明顯。

4 力學性能檢測

采用HVS-1000型數顯顯微硬度計，測量出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隨著切削速度的增加而下降。低速段時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，負前角刀具制備的切屑硬度明顯下降，當切削速度為442mm/s時，兩種硬度值相差了32HV。

負前角切削時，隨著切削速度的增加，等效應變速率隨之增加，導致切屑不能完全塑性變形，大晶粒尺寸來不及細化充分而得以保留，且切削溫度升高產生的切削熱導致晶粒發生動態回復，熱軟化加劇，當軟化速度高于塑性變形晶粒細化速度時，切屑的硬度開始逐漸下降。

5 結論

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

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

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