软化及剪胀效应对非晶合金纳米切削力学特性的影响研究

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非晶合金作为一种具有优异力学性能的新型工程材料,在航空航天和军事等领域拥有广阔的应用前景。切削加工是一种高效的材料成型方法,对非晶合金切削加工机理的深入理解有助于提高其加工质量,减小刀具磨损,降低加工成本。研究表明:非晶合金纳米切削加工过程中存在背向力与主切削力大小相近的现象。由于没有位错等晶体缺陷,传统的切削加工理论不能对该现象给出合理的解释。因此,本文针对非晶合金的微观结构特点,鉴于当前实验检测设备时空分辨率的限制,采用分子动力学方法尝试探索该现象背后的物理机制。  首先,研究了Cu50Zr50非晶合金纳米切削过程中加工参数对切削力和微观结构的影响。通过快速冷却方法制备出了Cu50Zr50非晶合金,建立了二维正交切削模型。分析了纳米切削过程中非晶合金的原子结构演化,发现非晶合金切削过程中不存在加工硬化问题。多组切削参数下,都出现了非晶合金纳米切削过程中背向力接近主切削力的现象,并且观察到已加工表面弹性回复明显。  其次,通过原子Y方向位移图及加工表面区域体积的计算,量化了已加工表面的弹性回复,认为微单元体剪切变形后静水应力表现为拉应力是导致弹性回复明显的重要原因。对非晶合金微单元体进行了剪切变形仿真,发现该过程伴随着正应力的产生,证实了剪胀效应的存在。通过对切削过程中刀具前后刀面受到的正应力进行分析,发现刀具下方的非晶合金微单元体在剪应力的作用下产生了垂直于单元表面的正应力,该应力作用于刀具后刀面,进而导致背向力变大。  自由体积理论是分析非晶合金形变机理的重要方法,基于该理论,计算得到了Cu50Zr50非晶合金自由体积随温度的变化规律。系统研究了切削过程中切屑及加工表面层自由体积、温度、剪应力及静水应力的变化规律,发现静水应力(压应力)会抑制局部自由体积的产生。对比而言,切屑层选定区域所受静水应力小,切削温升高,剪切变形过程中自由体积含量高,软化效果明显,导致处于切屑层的非晶合金在较小的剪应力作用下便发生了屈服,进而导致主切削力的减小。
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