范依航 霍志倩 郝兆朋

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

SiCp/Al顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是以鋁或鋁合金為基體且含有SiC顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合材料，由于其具有高比模量、高比強(qiáng)度、耐磨性好、耐高溫和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]。但由于材料中存在硬度較高的SiC增強(qiáng)顆粒，很難對(duì)它們進(jìn)行機(jī)械加工[2]。

相較于實(shí)驗(yàn)方法，有限元方法能準(zhǔn)確得到切削實(shí)驗(yàn)中難以獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)而為實(shí)際加工提供理論指導(dǎo)[3]。Joshi S S等[4]分析了SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形態(tài)，發(fā)現(xiàn)切屑自由表面有裂紋的出現(xiàn)，并沿剪切面向刀刃處擴(kuò)展，產(chǎn)生鋸齒形切屑，然而，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致鋸齒形切屑形成的內(nèi)在機(jī)理尚未揭示；Quan Y M等[5]分析了在切削加工過程中顆粒在主剪切帶和第二變形區(qū)的破碎現(xiàn)象，但對(duì)顆粒破碎機(jī)理研究較少；都金光等[6]分析了不同位置顆粒的斷裂行為對(duì)加工表面缺陷的影響，并研究了切削后已加工表面的形貌。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的可加工性進(jìn)行了大量的研究，但大多采用常規(guī)的方法進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容一般局限于刀具磨損、表面質(zhì)量和切屑形態(tài)，而對(duì)切屑形成機(jī)理的研究鮮有涉及。

本文結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)與仿真，研究體積分?jǐn)?shù)為45%的SiCp/Al顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料切削變形過程中Mises應(yīng)力值的大小、顆粒的斷裂與破碎機(jī)理以及切屑表面裂紋的擴(kuò)展情況。

1 實(shí)驗(yàn)過程

工件材料：顆粒體積分?jǐn)?shù)含量為45%的SiCp/2024Al顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)機(jī)床：HVC1160型三坐標(biāo)軸數(shù)控銑床。實(shí)驗(yàn)刀具：整體式涂層硬質(zhì)合金平頭立銑刀，刀具的前角和后角分別為5°和10°，硬質(zhì)合金刀柄直徑為10 mm。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置：在溫度為20 ℃應(yīng)變率為0.001 s-1的條件下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。通過霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，得到Al2024在不同溫度，不同應(yīng)變速率下的本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)變率為3 000～8 500 s-1，溫度為120 ℃～420 ℃，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

在切削速度(50 m/min, 70 m/min, 90 m/min)不同，進(jìn)給量(0.02 mm/z)相同的條件下進(jìn)行銑削試驗(yàn)獲得切屑，鑲嵌成標(biāo)本，通過研磨、拋光，觀察切屑形態(tài)和微觀組織。

2 本構(gòu)模型的建立

2.1 Al基體模型的建立

Al基體被視為可變形的且具有破壞準(zhǔn)則的熱彈塑性材料， Johnson-Coo(JC)本構(gòu)模型能很好地描述其可塑性行為并能較好地探討Mises應(yīng)力分布，本構(gòu)模型如下所示[7]：

(1)

其中m由霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)得到，不同溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

通過擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可計(jì)算得到Al基體JC模型材料參數(shù)值如表1所示。

表1 Al基體JC模型材料參數(shù)

利用JC本構(gòu)方程定義了切削加工過程中Al基體材料的切屑分離準(zhǔn)則，當(dāng)損傷參數(shù)D為1時(shí)，材料開始失效，具體表達(dá)式[8]為：

(2)

(3)

式中：d1～d5為Al基體材料斷裂準(zhǔn)則失效參數(shù)；p為壓應(yīng)力；q為馮米塞斯應(yīng)力；p/q為無(wú)量綱偏壓應(yīng)力比。材料失效[10]參數(shù)如表2所示。

表2 Al基體材料JC失效參數(shù)

2.2 SiC顆粒模型的建立

SiC是一種硬脆性材料，在實(shí)際復(fù)合材料切削過程中，容易發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，脆性斷裂[11]準(zhǔn)則描述了SiC顆粒脆性破壞和失效演化的過程。

采用GFI脆性裂紋生成模式，通過最大正應(yīng)力準(zhǔn)則判斷SiC顆粒是否發(fā)生斷裂，其公式如下：

max(σ1,σ2,σ3)=σ0

(4)

式中：σ0為抗拉強(qiáng)度。

在仿真中當(dāng)SiC顆粒斷裂后，顆粒的后續(xù)的裂紋擴(kuò)展通過斷裂能準(zhǔn)則進(jìn)行控制，其裂紋演化位移公式為：

(5)

在SiC顆粒失效演化階段的剪切模量為：

Ga=ρ(ξnl)G

(6)

式中：ρ(ξnl)為剪切保留因子;G是顆粒破碎前的剪切模量，ξnl為開裂應(yīng)變，代入到關(guān)系式(5):

ρ(ξnl)=(1-ξnl/ξmax)p

(7)

式中：ξmax為裂紋張開應(yīng)變，基于以上的公式進(jìn)行計(jì)算，得到了SiC顆粒脆性斷裂相關(guān)參數(shù)，具體的參數(shù)值如表3所示。

表3 SiC顆粒的斷裂參數(shù)

庫(kù)倫摩擦模擬了刀具與工件的表面接觸，摩擦模型[12]定義為：

(8)

2.3 SiCp/Al復(fù)合材料有限元模型的建立

本研究采用微米尺寸的SiCp/Al顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料建立有限元模型，建立了二維平面應(yīng)變模型，以降低有限元模型的計(jì)算量[13]。用圓形的SiC顆粒建模，使它們隨機(jī)分布在工件內(nèi)部，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為45%。并對(duì)SiC顆粒和Al基體分開建模并分別賦予材料屬性，二者均采用四面體單元網(wǎng)格劃分技術(shù)。將刀具設(shè)置為剛體，采用拉格朗日自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)模型中的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，設(shè)置工件網(wǎng)格小于刀具的最小網(wǎng)格。SiC顆粒與Al基體之間采用內(nèi)聚力單元連接，其余的均采用面面接觸的方式。為防止工件在仿真過程中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，把Al基體的底面和左面完全固定。模型示意如圖4所示，參數(shù)如表4所示。

表4 材料參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 切削區(qū)域的應(yīng)力分析

在切削變形過程中，刀具與Al基體以及SiC顆粒接觸的應(yīng)力分布情況如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)Al基體和刀具前刀面的SiC顆粒承受著不同程度的應(yīng)力作用，且SiC顆粒及其周圍存在較高的應(yīng)力值，觀察刀具與材料接觸區(qū)域，發(fā)現(xiàn)刀具剛切入SiCp/Al復(fù)合材料中時(shí)，SiC顆粒在基體中出現(xiàn)較大的集中應(yīng)力現(xiàn)象，如圖5a所示，證明SiC顆粒承受了基體材料Al2024傳遞的大部分載荷，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要?dú)w因于SiC顆粒具有較高的硬度和強(qiáng)度，且在切削過程中，顆粒與基體之間也會(huì)產(chǎn)生相互作用力。由于刀具在進(jìn)給過程中對(duì)SiC顆粒產(chǎn)生了應(yīng)力作用，且作用在顆粒不同位置的應(yīng)力并不相同，致使單元網(wǎng)格發(fā)生明顯的形變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)，顆粒沿應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生斷裂，如圖5b所示。

如圖6所示，開始切削時(shí)應(yīng)力值發(fā)生上下波動(dòng)變化，這主要是由于在刀具與材料接觸過程中， SiC顆粒硬度較高，自身和其周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在刀具與被切削SiC顆粒的影響下，產(chǎn)生了應(yīng)力波動(dòng)，當(dāng)?shù)毒吲cSiC顆粒接觸時(shí)，應(yīng)力急劇增大，最大值達(dá)到1 002 MPa，隨后產(chǎn)生切屑并發(fā)生脫落，如圖5c所示。

從圖7a中可以發(fā)現(xiàn)沿著剪切角方向塑性變形較大，通過公式可以看出塑性變形越大，應(yīng)力值越大，在仿真分析可以發(fā)現(xiàn)在圖7b中剪切角方向應(yīng)力值較大。

分別提取SiC顆粒和Al基體上的應(yīng)力，如圖8所示。SiC顆粒上的最大應(yīng)力達(dá)到1 002 MPa，而Al基體上的最大應(yīng)力只能達(dá)到735 MPa，兩者之間相差較大，導(dǎo)致局部過早出現(xiàn)屈服，由此推斷SiC顆粒對(duì)切屑表面缺陷的產(chǎn)生起著主要作用。

3.2 切屑中SiC顆粒斷裂機(jī)理研究

收集實(shí)驗(yàn)中的切屑發(fā)現(xiàn)多為碎屑，將碎屑制作成金相標(biāo)本，并對(duì)金相標(biāo)本進(jìn)行研磨拋光，利用金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行放大分析，發(fā)現(xiàn)碎屑中存在斷裂的SiC顆粒，如圖9所示，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在切削變形過程中，基體滑移速度大于SiC顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，同時(shí)相鄰的顆粒也對(duì)顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，導(dǎo)致顆粒所受應(yīng)力瞬間增大，促使顆粒超過斷裂強(qiáng)度極限發(fā)生斷裂。

另外，在切削變形過程中當(dāng)基體滑移受到顆粒的阻礙時(shí)，在界面處形成位錯(cuò)塞積，從而形成裂紋并發(fā)生斷裂。而由于Al基體具有良好的塑性，因此Al基體不易產(chǎn)生裂紋。在切削變形過程中，SiC顆粒與基體形成的碎屑如圖10a所示，很好地驗(yàn)證了仿真結(jié)果，如圖10b所示。

切削變形過程如圖11所示，顆粒斷裂是由于受前刀面的擠壓和摩擦所產(chǎn)生。隨著刀具的前進(jìn)，前刀面對(duì)顆粒產(chǎn)生壓力和摩擦力，使得切削溫度升高從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)顆粒周圍的基體和其他顆粒的阻礙與干涉也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)顆粒承受的應(yīng)力總值大于自身的強(qiáng)度極限時(shí)，顆粒發(fā)生斷裂。

3.3 切屑表面微裂紋的形成機(jī)制

復(fù)合材料中的裂紋源包括材料在制造過程中產(chǎn)生的裂紋源(如孔穴、界面結(jié)合缺陷等)以及在切削過程中產(chǎn)生的裂紋源。在切削變形過程中，剪切帶內(nèi)部的組織發(fā)生了顯著的變化。一方面，由位錯(cuò)引起的切削層表面應(yīng)力超過某一界限時(shí)，在剪切體邊緣的自由表面產(chǎn)生裂紋，如圖12a所示[14]。另一方面，基體滑移導(dǎo)致顆粒聚集排列在一起，SiC顆粒與基體發(fā)生脫粘，以及SiC顆粒自身的斷裂，產(chǎn)生微孔洞，這些微孔洞不斷長(zhǎng)大聚合并形成微裂紋，裂紋在切屑內(nèi)部沿剪切面蜿蜒擴(kuò)展，如圖12b所示。

剪切面裂紋的擴(kuò)展嚴(yán)重影響了切屑的形態(tài)，當(dāng)切削速度從50 m/min增加到70 m/min時(shí)，切屑自由表面出現(xiàn)小裂紋，當(dāng)切削速度繼續(xù)增加到90 m/min時(shí)，裂紋逐漸增加，直至切屑與工件分離，如圖13所示。這是由于材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，隨著切削速度的增加，基體和顆粒承受的應(yīng)力增大，使得切屑自由表面附近裂紋兩側(cè)的相對(duì)滑移增加，裂紋沿Al基體和SiC顆粒的界面擴(kuò)展程度加深，導(dǎo)致裂紋加大。

由圖14a可以看出，基體-顆粒的界面處會(huì)形成空洞且存在擴(kuò)展趨勢(shì)，但這些微空洞和微裂紋的擴(kuò)展由于剪切區(qū)里靜水壓力的作用，通常不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，從而切屑自由表面有較多不規(guī)則的剪切裂紋存在，并由表面延伸至切屑內(nèi)部。在圖14b中發(fā)現(xiàn)切屑中有大量的空洞和微裂紋產(chǎn)生，且主要存在于SiC顆粒周圍，只有少部分存在于Al基體中，方向與材料變形方向基本相同，證明空洞的形成和微裂紋的擴(kuò)展在較大程度上影響了SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)與仿真，研究體積分?jǐn)?shù)為45%的SiCp/Al顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料切削變形過程中Mises應(yīng)力值的大小、顆粒的斷裂與破碎機(jī)理以及切屑表面裂紋的擴(kuò)展情況。得到以下結(jié)論：

(1)在切削變形過程中，SiC顆粒及其周圍會(huì)存在較高的應(yīng)力值，且承受了Al基體傳遞的大部分載荷。當(dāng)?shù)毒吲c被分析的SiC顆粒接觸時(shí)，應(yīng)力急劇增大，隨后變成切屑并發(fā)生脫落，并且發(fā)現(xiàn)切削過程中塑性變形越大，應(yīng)力值越大。

(2) 基體與SiC顆粒受刀具擠壓，基體并沒有產(chǎn)生裂紋，而SiC顆粒受到切削過程中熱應(yīng)力、基體與顆粒間的相互作用及顆粒與顆粒之間的相互作用力發(fā)生斷裂，并分析了基體與顆粒的脫粘現(xiàn)象。

(3)隨著切削速度的增加，基體和顆粒承受的應(yīng)力增大，使得切屑自由表面附近裂紋兩側(cè)的相對(duì)滑移增加，裂紋沿剪切面擴(kuò)展的程度變大，證明空洞的形成和微裂紋的擴(kuò)展在較大程度上影響了SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形態(tài)。