閻秋生，杜燦林，高雅欣，朱超睿，李 令

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實施，節(jié)能減排、提升能源資源利用效率要求的不斷提高，對于電力系統(tǒng)的電磁鐵心性能有了更高的要求。鐵基納米晶合金相比于硅鋼而言，具有高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率、低鐵損等特點，被廣泛用于電力變壓器鐵心、電動汽車電機(jī)鐵心、無線充電線圈等領(lǐng)域，不但能夠提高產(chǎn)品性能，而且能夠有效減小鐵心損耗[1-3]。

目前，鐵基納米晶合金帶材需要按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和具體要求進(jìn)行縱剪分條加工，得到寬度一致且剪切邊緣質(zhì)量良好的帶材，再卷繞成型以制備變壓器鐵心或其他電力電子產(chǎn)品[4-5]。為了提高生產(chǎn)效率，常將厚度較薄的2~3條納米晶合金帶材以直接接觸的方式堆疊一起，并同時在自由狀態(tài)下進(jìn)入剪切機(jī)組，完成滾剪分條加工過程。

國內(nèi)外研究學(xué)者已對納米晶合金材料性能做了許多研究[6-7]。Kumar等[8]對Fe63Cr9P5B16C7納米晶合金進(jìn)行納米壓痕及劃痕實驗，發(fā)現(xiàn)該納米晶合金存在尺寸效應(yīng)，而且在不同載荷的劃痕條件下產(chǎn)生不同形式的剪切帶。Csizmadia等[9]制備了FINEMET納米晶合金帶材并發(fā)現(xiàn)帶材出現(xiàn)高達(dá)12%的蠕變現(xiàn)象，并認(rèn)為蠕變基本上由施加的應(yīng)力決定，得出應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性觀點。Sergueeva等[10]對不同退火溫度下得到的Fe基納米晶合金帶材進(jìn)行強度檢測，發(fā)現(xiàn)退火溫度會導(dǎo)致納米晶粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，微觀形貌發(fā)生變化，其中在600℃退火下能獲得約2.3 GPa強度。

近年來有關(guān)納米晶合金帶材制備工藝和性能研究的論文不斷增多，但鮮有針對納米晶合金帶材精密剪切加工過程的研究。由于鐵基納米晶合金帶材厚度薄（20μm左右），采用疊層剪切可有效提高加工效率，本文針對鐵基納米晶合金帶材開展疊層剪切加工工藝實驗，探究疊層剪切加工對斷面特征的創(chuàng)成機(jī)理，對比分析單層剪切加工與疊層剪切加工的差異性，歸納分析疊層剪切加工后納米晶合金帶材的斷面形貌特征和磁疇結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并探討剪切速度和滾刀徑向重疊量對疊層納米晶合金帶材剪切質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 加工原理及實驗方法

1.1 鐵基納米晶合金帶材疊層剪切加工原理

疊層滾剪加工原理如圖1所示，上、下圓片刀分別交錯安裝在高剛度的刀軸上，與圓片刀相對應(yīng)一側(cè)安裝彈性橡膠圈對納米晶合金帶材提供壓力。納米晶合金帶材厚度為t，圓盤刀半徑為R，c和s分別為上下圓刀之間的側(cè)向間隙和徑向重疊量，由于納米晶合金帶材厚度薄，要求把上下圓片刀側(cè)向間隙c調(diào)整近似為零。電機(jī)驅(qū)動上下刀軸相對轉(zhuǎn)動，從而帶動納米晶合金帶材進(jìn)入圓片刀刃口形成的剪切區(qū)，使納米晶合金帶材發(fā)生斷裂變形，其斷裂過程主要是在刀具的作用下，帶材裂紋的快速擴(kuò)展而引起的，其斷裂面與刀具側(cè)面滑擦產(chǎn)生不同的斷裂特征。圖1（c）所示為實驗時采用的疊層納米晶合金帶材剪切方式，為了準(zhǔn)確對后續(xù)納米晶合金帶材斷面形貌和截面特征進(jìn)行定點觀測，采用膠水把納米晶合金帶材一側(cè)固定，另一側(cè)帶材以自由狀態(tài)進(jìn)入圓盤刀剪切區(qū)域。

圖1 納米晶合金帶材疊層滾剪加工原理Fig.1 Nanocrystalline alloy strip laminated roll shear processingprinciplediagram

通過對疊層納米晶合金帶材剪切加工過程的跟蹤觀察，總結(jié)歸納出如圖2所示的納米晶合金帶材剪切斷面創(chuàng)成原理，在疊層納米晶合金帶材剪切加工初始階段，上、下圓片刀逐漸迫近納米晶合金帶材，隨后帶材進(jìn)入剪切區(qū)域，如圖2（a）所示。由于圓片刀旋轉(zhuǎn)切削刃逐漸壓入納米晶合金帶材，其所受剪切力逐漸增大，圓片刀切削刃擠壓帶材表面，使得帶材發(fā)生變形并在刃口與帶材接觸區(qū)域形成塌角，而由于力的可傳遞性，在帶材與帶材之間接觸的表面也會產(chǎn)生相應(yīng)的塌角，此時僅限于圓片刀切削刃倒圓面與帶材接觸，如圖2（b）所示。當(dāng)納米晶合金帶材在上、下圓片刀和環(huán)狀橡膠圈墊持續(xù)增大的擠壓力作用下，帶材受到的剪切力持續(xù)作用并達(dá)到帶材的強度極限而開始產(chǎn)生微裂紋，并迅速擴(kuò)展。由于納米晶合金帶材不存在位錯滑移機(jī)制，因此帶材內(nèi)部發(fā)生以剪切帶擴(kuò)展為主的斷裂變形，形成剪切斷裂區(qū)。而且圓片刀側(cè)面與帶材接觸面積逐漸增大并發(fā)生滑擦，如圖2（c）所示。隨著上、下圓片刀切入帶材的深度增加，裂紋擴(kuò)展直至重合，使得納米晶合金帶材斷裂分離，由于受到圓片刀側(cè)面的擠壓滑擦作用，在納米晶合金帶材斷面末端會形成毛刺，如圖2（d）所示。

圖2 疊層剪切過程及剪切斷面創(chuàng)成原理Fig.2 Schematic diagram of the shearing process and shear section creation principleof thelaminated shear

1.2 實驗材料及實驗方案

實驗所用材料為國內(nèi)某廠生產(chǎn)牌號為1K107B的鐵基納米晶合金帶材，帶材寬度為26 mm，厚度為(20±2)μm，晶化溫度510℃，居里溫度570℃。其主要力學(xué)性能如表1所示。納米晶合金帶材滾剪加工在XY200∕FS型精密滾剪機(jī)上進(jìn)行，裝置如圖3所示。上下圓片滾剪刀采用固定刀軸以保證圓刀安裝精度，即刀具的側(cè)向間隙c已經(jīng)預(yù)先設(shè)定為零，通過絲杠升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整上下刀軸的距離以調(diào)節(jié)上下圓刀的徑向重疊量s。

表1 納米晶合金帶材力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of nanocrystallinealloy strips

圖3 納米晶合金帶材精密滾剪機(jī)Fig.3 Nanocrystallinealloy strip precision rollingshearingmachine

先按不同剪切層數(shù)將納米晶合金帶材在剪切速度50 m∕min、徑向重疊量s∕t=100%的工藝條件下進(jìn)行探索性剪切實驗，取剪切后的帶材進(jìn)行斷面檢測及磁疇結(jié)構(gòu)檢測。然后分別改變剪切速度和徑向重疊量參數(shù)值并進(jìn)行不同剪切層數(shù)下的納米晶合金帶材剪切加工，以研究剪切速度和徑向重疊量對其剪切質(zhì)量的影響規(guī)律。具體剪切加工實驗條件如表2所示。

表2 剪切加工實驗條件Tab.2 Experimental conditionsfor shear processing

1.3 檢測分析方法

納米晶合金帶材的剪切斷面和截面形貌如圖4所示，按照剪切方向從上到下分為塌角區(qū)，剪切斷裂區(qū)和毛刺等特征。通過精密滾剪機(jī)完成納米晶合金帶材疊層剪切過程后，利用TM4000掃描電子顯微鏡對帶材剪切斷面形貌進(jìn)行觀察。采用線切割機(jī)垂直于剪切斷面切割后，用環(huán)氧樹脂冷鑲嵌方式制成截面試樣（圖4（a）），經(jīng)過金相研磨機(jī)研磨拋光后，使用OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀察剪切試樣的截面特征，并記錄毛刺特征帶的高度。

圖4 剪切斷∕截面形貌特征Fig.4 Schematic diagram of shear section and cross-sectional morphological features

為了對帶材剪切截面特征進(jìn)行量化，本文引用文獻(xiàn)[11]所定義的斷面完整性系數(shù)，如圖5所示，首先選取帶材截面的激光共聚焦檢測圖，沿著帶材上下邊緣和剪切斷面邊緣截取正方形區(qū)域（區(qū)域長度為帶材厚度t）作為樣本統(tǒng)計區(qū)域，其次對正方形區(qū)域進(jìn)行黑白二值化處理，最后通過Python程序統(tǒng)計正方形線框內(nèi)的黑白像素總數(shù)。斷面完整性被定義為選取區(qū)域內(nèi)白色像素點個數(shù)與選取區(qū)域內(nèi)像素總數(shù)的比值，選取區(qū)域內(nèi)白色像素點越多，則斷面完整性越好，實驗結(jié)果均取5次測量的平均值。

圖5 斷面完整性系數(shù)定義Fig.5 Schematic diagramof the definition of section integrity factor

為了對比分析疊層剪切加工方式與單層剪切加工方式對于帶材磁性能的影響，采用掃描探針顯微鏡（MFM）對不同剪切層數(shù)下的納米晶合金帶材剪切邊緣進(jìn)行磁疇結(jié)構(gòu)分析，主要包括對比磁疇結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸大小。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 鐵基納米晶合金帶材塑性變形行為研究

通過大載荷劃痕實驗研究鐵基納米晶合金帶材塑性變形特征，包括帶材劃痕表面損傷類型以及劃痕剪切帶形狀和分布情況。采用Anton Parr生產(chǎn)的RST劃痕儀進(jìn)行大載荷劃痕實驗，壓頭型號為Rockwell-AJ-254，劃痕速率設(shè)為1 mm∕min，載荷設(shè)為1~35 N之間進(jìn)行線性加載。實驗時將納米晶合金帶材固定在表面粗糙度約Ra2 nm的SiC晶片上，使劃痕過程中壓頭不會劃破帶材。

采用激光共聚焦顯微鏡觀察劃痕形貌并檢測劃痕輪廓，如圖6所示，從輪廓發(fā)現(xiàn)納米晶合金帶材在劃痕加載階段出現(xiàn)較均勻的塑性變形，輪廓曲線較規(guī)律。在劃痕加載階段容易出現(xiàn)較大凹坑和碎渣，使得輪廓曲線起伏不定。進(jìn)一步對納米晶合金帶材劃痕4個區(qū)域進(jìn)行大倍率觀察，觀察到劃痕區(qū)域出現(xiàn)不同程度的區(qū)域破碎情況，在劃痕末端裂縫處出現(xiàn)剪切帶擴(kuò)展情況。

圖6 納米晶合金帶材劃痕輪廓及形貌Fig.6 Scratch profileand morphology of nanocrystalline alloy strips

由于圓片刀在制造時切削刃口處總存在一定過渡圓弧半徑一般為10μm，在實際剪切加工過程中由刀具刃口圓弧半徑率先與納米晶合金帶材發(fā)生接觸，隨著刀具繼續(xù)移動下行，刃口半徑與帶材表面發(fā)生局部區(qū)域微觀彎曲變形，使帶材表面會受到彎曲時拉伸、壓縮產(chǎn)生的微裂紋等。因此，為了重點研究剪切加工過程發(fā)生的彎曲變形現(xiàn)象，設(shè)計了針對疊層帶材情況下的彎曲實驗。彎曲塊側(cè)面和端面連接處制成具有圓弧半徑為10μm的形狀，以此來模擬圓片刀刃口，帶材一側(cè)通過壓板固定，另一側(cè)處于自由狀態(tài)，調(diào)整上彎曲塊和下彎曲塊側(cè)向間隙，通過上彎曲塊下行實現(xiàn)不同層數(shù)下納米晶合金帶材的彎曲過程，最后采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察帶材彎曲處的形貌，對比不同層數(shù)下納米晶合金帶材受到彎曲變形差異。

圖7所示為納米晶合金帶材疊層彎曲圓弧SEM形貌圖，可見帶材彎曲時受拉伸側(cè)和受壓縮側(cè)變形形貌存在差異，由于納米晶合金帶材脆性大，受拉伸側(cè)出現(xiàn)開裂情況，并且擴(kuò)展衍生出大量剪切帶，而受壓縮側(cè)出現(xiàn)破碎情況，存在少量碎屑。但在帶材疊層彎曲情況下，上層帶材所發(fā)生的彎曲變形程度較小，帶材彎曲圓弧夾角比一層及中下層帶材彎曲圓弧夾角要?。é?＞β2＞α）。從圖7（c）所示的三層納米晶合金帶材彎曲圓弧區(qū)域觀察到，只有三層下層納米晶合金帶材產(chǎn)生了微小裂紋，而外側(cè)兩層納米晶合金帶材則沒有產(chǎn)生裂紋，這是由于在疊層彎曲時帶材硬度比彎曲塊硬度高，相比于下層帶材擠壓彎曲塊，上層帶材受到中下層帶材更多的支撐作用，使得彎曲變形受到阻礙，彎曲后更容易發(fā)生回彈現(xiàn)象。

圖7 納米晶合金帶材疊層彎曲圓弧形貌Fig.7 Nanocrystallinealloy strip laminated bendingarc morphology

為了深入分析疊層帶材彎曲情況，采用SEM觀察各層帶材受拉伸側(cè)折痕形貌，并對各層折痕寬度進(jìn)行統(tǒng)計。圖8所示為各層納米晶合金帶材彎曲變形后受拉伸側(cè)折痕形貌，可見折痕由大量平行剪切帶所組成，但各層帶材的剪切帶密度均不一樣。而納米晶合金帶材的塑性應(yīng)變以剪切帶的形式存在，因此剪切帶密度能側(cè)面反映出納米晶合金帶材塑性變形程度[12]。雙層下層納米晶合金帶材折痕與其他帶材折痕形貌有較大的差異，其剪切帶主要分布在折痕兩側(cè)，中間區(qū)域反而沒有出現(xiàn)剪切帶。此外，三層納米晶合金帶材彎曲折痕痕跡較淺，而且剪切帶間隔距離增大，三層下層納米晶合金帶材折痕還出現(xiàn)許多次生剪切帶使得剪切帶類型不再是單一的平行剪切帶，還具有樹枝狀裂紋剪切帶，說明三層下層納米晶合金帶材在彎曲時由于自由體積積累，使得多個剪切帶成核分叉形成新的剪切帶并擴(kuò)展，使納米晶合金帶材產(chǎn)生更劇烈的塑性變形。

圖8 納米晶合金帶材疊層彎曲拉伸側(cè)折痕形貌Fig.8 Nanocrystalline alloy strip laminated bending and stretching side creasemorphology

2.2 剪切層數(shù)對納米晶合金帶材剪切特征及性能的影響

2.2.1 剪切層數(shù)對剪切斷面形貌的影響

剪切斷面形貌特征直接反映了剪切質(zhì)量的好壞，當(dāng)剪切斷面中毛刺高度較小時，可增加納米晶合金帶材的鐵心疊片系數(shù)，因此認(rèn)為毛刺高度較小時剪切質(zhì)量好[13]。

圖9所示為納米晶合金帶材在剪切速度為50 m∕min、徑向重疊量s∕t=100%時不同剪切層數(shù)下的剪切斷面形貌。在普通單層納米晶合金帶材剪切過程中，剪切斷裂區(qū)占最大比例，塌角和毛刺高度均較小，剪切上邊緣較為平整，下邊緣則出現(xiàn)微小毛刺；在雙層納米晶合金帶材剪切時，帶材剪切斷面得到與單層剪切一樣的特征帶，但上層帶材較下層帶材而言斷面質(zhì)量更好，更接近單層納米晶合金帶材剪切后產(chǎn)生的斷面形貌，而且在下層納米晶合金帶材的下邊緣出現(xiàn)了破碎的情況，還發(fā)現(xiàn)下層納米晶合金帶材的塌角高度增大；在三層納米晶合金帶材剪切時，發(fā)現(xiàn)剪切斷面質(zhì)量明顯變差，而中間層帶材在上下面同時受到納米晶合金帶材擠壓時，出現(xiàn)塌角高度增大，帶材部分區(qū)域材料剝落，剪切斷裂區(qū)材料堆積等情況，還發(fā)現(xiàn)上層帶材大部分由剪切斷裂區(qū)所組成，由此判定上層帶材靠剪切斷裂而成，而下層帶材則沒有出現(xiàn)明顯的刀具滑擦痕跡，推斷下層納米晶合金帶材受擠壓拉伸斷裂而成。

圖9 帶材疊加層數(shù)對帶材剪切斷面形貌特征的影響Fig.9 Influence of the number of stacked layers on the shear section morphology of strips

圖10所示為不同層數(shù)剪切斷面的截面形貌，從剪切斷面的截面可以詳細(xì)觀察到相關(guān)剪切特征帶。單層剪切斷面的塌角和毛刺高度均較??；雙層納米晶合金帶材剪切斷面截面上的上層和下層帶材的塌角高度均增大，并且上層納米晶合金帶材形成了過渡型毛刺，毛刺高度也增大；三層納米晶合金帶材剪切斷面截面上，從上層帶材開始每層帶材的塌角都增大，毛刺類型也從擠壓型毛刺變?yōu)榱死瓟嘈兔獭?/p>

圖10 帶材疊加層數(shù)對帶材剪切截面形貌的影響Fig.10 Influence of the number of stacked layers on the cross-sectional morphology of the strip shear section

為了評估不同剪切層數(shù)的納米晶合金帶材剪切質(zhì)量，統(tǒng)計了剪切截面毛刺高度和斷面完整性，其中雙層和三層納米晶合金帶材剪切的毛刺高度和斷面完整性均取每層帶材的平均值，統(tǒng)計圖如圖11所示。從圖中可以看出單層納米晶合金帶材的毛刺高度為4.09μm；雙層納米晶剪切時平均毛刺高度為4.51μm，比單層剪切產(chǎn)生的毛刺高度增加了10.3%；三層納米晶合金帶材平均毛刺高度為5.39μm，比單層剪切產(chǎn)生的毛刺高度增加了31.8%。單層納米晶合金帶材剪切斷面完整性為84.27%，由于毛刺高度隨著剪切層數(shù)增多而增大，導(dǎo)致雙層和三層納米晶合金帶材剪切斷面完整性有所下降，雙層納米晶合金帶材剪切下的斷面完整性為82.38%；三層納米晶合金帶材剪切的斷面完整性為76.34%，降低了7.17%。

圖11 納米晶合金帶材不同剪切層數(shù)對毛刺高度和斷面完整性影響Fig.11 Effect of different shear layers of nanocrystalline alloy strips on burr height and section integrity

2.2.2 剪切層數(shù)對磁疇結(jié)構(gòu)的影響

鐵磁物質(zhì)中相鄰原子的磁矩平行陳列起來，從而構(gòu)成一個自發(fā)磁化到達(dá)飽和形態(tài)的微小區(qū)域，這種區(qū)域稱為磁疇[14-15]。磁疇結(jié)構(gòu)以及狀態(tài)可決定磁性材料的磁性能，因此為了分析不同剪切層數(shù)對納米晶合金帶材磁性能的影響，對納米晶合金帶材材剪切邊緣區(qū)域的磁疇結(jié)構(gòu)以及形態(tài)進(jìn)行觀察分析。

圖12所示為采用MFM對上層納米晶合金帶材自由面剪切邊緣的磁疇結(jié)構(gòu)形貌，距離剪切斷面邊緣2μm，觀察到單層納米晶合金帶材剪切邊緣磁疇結(jié)構(gòu)形狀規(guī)律性較好，形成規(guī)則條紋狀磁疇結(jié)構(gòu)。條紋狀磁疇的原因是納米晶合金帶材中的存在一定的垂直各向異性，使得帶材中的磁距偏出帶材表面方向排列來補償各向異性能，磁疇壁寬度均勻，磁疇壁較長且平行有序排列。雙層納米晶合金帶材剪切邊緣磁疇結(jié)構(gòu)總體也呈現(xiàn)條紋狀磁疇結(jié)構(gòu)，但越靠近剪切邊緣處磁疇強度較弱，沒出現(xiàn)明顯磁疇結(jié)構(gòu)，而且雙層納米晶合金帶材剪切邊緣磁疇壁較短，磁疇壁寬度減小。隨著剪切層數(shù)的增多，納米晶合金帶材剪切邊緣受到應(yīng)力增大，應(yīng)力集聚使帶材內(nèi)部系統(tǒng)能量增加,磁疇結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，三層納米晶合金帶材剪切邊緣磁疇區(qū)域不再單一呈現(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)，存在少許迷宮疇結(jié)構(gòu)。這是由于三層納米晶合金帶材所受應(yīng)力能增大。

圖12 不同剪切層數(shù)的帶材剪切邊緣磁疇結(jié)構(gòu)Fig.12 Magnetic domain structure at the shear edge of strips with different number of shear layers

2.3 剪切速度對疊層納米晶合金帶材剪切質(zhì)量的影響

剪切速度大小直接影響納米晶合金帶材剪切區(qū)內(nèi)應(yīng)力的大小及分布，從而改變剪切區(qū)材料微觀尺度應(yīng)力狀態(tài)，影響納米晶合金帶材剪切斷面質(zhì)量的變化。圖13~14所示為徑向重疊量s∕t=100%時不同剪切速度下的疊層納米晶合金帶材剪切斷面及截面形貌。在單層納米晶合金帶材剪切過程中，3種剪切速度都獲得了相似的斷面形貌，剪切斷裂區(qū)占特征帶最大比例，并有明顯的刀具滑擦痕跡，斷面上邊緣較平整，下邊緣有少量毛刺，塌角高度較小，具有相對較好的斷面形貌。雙層納米晶合金帶材在剪切速度為10 m∕min時，斷面上、下邊緣較平整，上層納米晶合金帶材呈現(xiàn)與單層納米晶合金帶材相似的斷面形貌，主要由剪切斷裂區(qū)組成；在剪切速度為50 m∕min和100 m∕min時的剪切斷面形貌較差，尤其是下層納米晶合金帶材，出現(xiàn)帶材碎裂和拉伸斷裂特征。在三層納米晶合金帶材剪切過程中，中間層和下層帶材由于帶材的擠壓作用出現(xiàn)較大塌角高度，上、下斷面邊緣平整性差并產(chǎn)生較大毛刺，下層納米晶合金帶材出現(xiàn)呈階梯狀的塌角區(qū)。隨著剪切速度增加，納米晶合金帶材剪切截面形貌質(zhì)量有所改善，毛刺明顯高度減小。

圖13 不同剪切速度的納米晶合金帶材剪切斷面形貌Fig.13 Shear section morphology of nanocrystalline alloy strips with different shear rates

圖14 不同剪切速度的納米晶合金帶材剪切截面形貌Fig.14 Cross-section morphology of nanocrystalline alloy strips with different shear speeds

為了深入研究剪切速度對疊層納米晶合金帶材剪切質(zhì)量的影響，用冷鑲嵌方式制作不同剪切速度下各層納米晶合金帶材的剪切截面形貌，采用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察并對不同剪切速度下剪切截面的毛刺和斷面完整性進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖15所示。

圖15 不同剪切速度的各層納米晶合金帶材毛刺高度和斷面完整性Fig.15 Burr height and section integrity of each layer of nanocrystalline alloy strips with different shear speeds

由圖15（a）中可知，不論單層、雙層及三層納米晶合金帶材剪切毛刺高度除了三層剪切的中間層都隨剪切速度增大而減小，在剪切速度為100 m∕min時毛刺高度達(dá)到了最小值；從毛刺高度來看，單層剪切毛刺高度隨剪切速度增大減小最明顯，最小可以達(dá)到2.55μm。雙層剪切和三層剪切的上層帶材毛刺相對較小、下層帶材毛刺高度較大，在剪切速度為10 m∕min時，雙層剪切的上層納米晶合金帶材毛刺高度為4.72μm、三層剪切的上層納米晶合金帶材毛刺高度為4.51μm，均小于單層剪切的毛刺高度，觀察發(fā)現(xiàn)由于剪切速度較小時刀具在納米晶合金帶材斷面接觸滑擦?xí)r間長，產(chǎn)生了較長的拉伸型毛刺，而疊層剪切時上層帶材受到中下層帶材提供的支撐力，使得上層帶材材料組織流動能力減弱，形成毛刺高度較小；進(jìn)一步對比分析發(fā)現(xiàn)下層帶材毛刺高度均比上層帶材毛刺高度大，三層剪切的下層納米晶合金帶材在剪切速度為10 m∕min時產(chǎn)生毛刺高度最大達(dá)到6.08μm。三層剪切的中間層帶材由于受到上下兩層帶材的相互擠壓作用，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)特殊，毛刺高度隨剪切速度變化也呈現(xiàn)不一樣的變化趨勢，毛刺高度先增大后減小但變化幅度不大，在剪切速度為100 m∕min時的毛刺高度高于其余各層帶材的毛刺高度。

從圖15（b）中可以觀察到各層納米晶合金帶材斷面完整性隨剪切速度增加而增大。斷面完整性主要受塌角和毛刺高度大小影響，由于各層納米晶合金帶材毛刺高度隨剪切速度增加而減少，因此各層斷面完整性隨剪切速度增加而有所增大。此外，疊層剪切的納米晶合金帶材剪切斷面完整性普遍比單層剪切的納米晶合金帶材斷面完整性差，這是由于二層和三層納米晶合金帶材的塌角高度增大，并且沿剪切方向越往下的納米晶合金帶材更容易產(chǎn)生較大塌角。而在剪切速度為100 m∕min時，雙層剪切時上層納米晶合金帶材斷面完整性比單層納米晶合金帶材的斷面完整性好，斷面完整性最佳可達(dá)88.28%，這與毛刺高度較小結(jié)果對應(yīng)。而三層剪切的中間層納米晶合金帶材在剪切過程中受到上下層帶材同時擠壓的關(guān)系，斷面完整性較差，在剪切速度為10 m∕min時，斷面完整性僅有70.86%。

由以上分析可知，在納米晶合金帶材剪切加工過程中，采取較大的剪切速度可以得到較小的毛刺和較高的斷面完整性。

2.4 徑向重疊量對疊層納米晶合金帶材剪切質(zhì)量的影響

成對圓片刀徑向重疊量大小可改變剪切區(qū)材料應(yīng)力應(yīng)變場，圖16~17所示為剪切速度100 m∕min時不同徑向重疊量的疊層納米晶合金帶材剪切斷面及截面形貌。由圖可見，在重疊量為s∕t=75%時，納米晶合金帶材斷面形貌較好，斷面特征較明顯，各層納米晶合金帶材斷面以剪切斷裂區(qū)為主。隨著徑向重疊量增大，各層納米晶合金帶材斷面形貌變差，在重疊量s∕t=125%時，納米晶合金帶材剪切斷裂區(qū)比例減小，下層帶材受到刀具滑擦痕跡較小，斷面較粗糙，而且發(fā)生了不同程度的破損，尤其在三層納米晶合金帶材剪切加工中，中間層納米晶合金帶材過多地擠壓下層帶材，導(dǎo)致斷面發(fā)生材料堆積和局部剝落的現(xiàn)象。

圖16 成對圓片刀不同徑向重疊量下的帶材剪切斷面形貌Fig.16 Shear section morphology of strips with different radial overlap of paired circular knives

圖18所示為剪切速度100 m∕min時不同徑向重疊量下的疊層納米晶合金帶材截面毛刺高度和斷面完整性統(tǒng)計值。從圖18（a）可以看出，隨著徑向重疊量的增大，各層納米晶合金帶材的毛刺高度變化趨勢均呈先增大后減小的趨勢，在s/t=100%時達(dá)到最大值。從毛刺高度來看，單層剪切的納米晶合金帶材在重疊量為s/t=75%時毛刺高度最小為2.06μm。

從圖18（b）中觀察到，各層納米晶合金帶材斷面完整性隨徑向重疊量增大而斷面完整性變差。在重疊量為s/t=75%時，由于帶材毛刺高度較小，而使得納米晶合金帶材斷面完整性較大，其中雙層剪切的下層納米晶合金帶材斷面完整性可達(dá)85.96%。當(dāng)重疊量s∕t=125%時，雖然帶材毛刺高度比重疊量為100%要小，但由于過度擠壓的關(guān)系，導(dǎo)致帶材產(chǎn)生較大塌角，并產(chǎn)生破損情況，使得斷面完整性變差。三層剪切的下層納米晶合金帶材斷面完整性最差，僅為71.99%。

圖18 成對圓片刀不同徑向重疊量的各層納米晶合金帶材毛刺高度和斷面完整性Fig.18 Burr height and sectional integrity of each layer of nanocrystalline alloy strips with different radial overlap of paired circular knives

因此在實際納米晶合金帶材剪切加工中，在保證納米晶合金帶材完全分離的前提下，應(yīng)選擇較小的徑向重疊量，可獲得毛刺高度小、斷面完整性好的剪切斷面。

3 結(jié)束語

（1）鐵基納米晶合金帶材疊層剪切斷面創(chuàng)成原理可歸納為隨著刀具刃口逐漸切入納米晶合金帶材表面，剪切力逐漸增大，帶材發(fā)生變形產(chǎn)生塌角；剪切力持續(xù)增大并達(dá)到帶材的極限屈服強度而開始產(chǎn)生微裂紋，帶材內(nèi)部發(fā)生以剪切帶擴(kuò)展為主的斷裂變形，形成剪切斷裂區(qū)；裂紋不斷擴(kuò)展直至重合，納米晶合金帶材斷裂分離并形成毛刺。

（2）納米晶合金帶材疊層彎曲實驗中，雙層上層和三層上層帶材所發(fā)生的彎曲變形程度較小，帶材彎曲圓弧夾角比單層帶材彎曲圓弧夾角要小，三層上層帶材受到三層中間層和下層帶材更多的支撐作用，使得彎曲變形受到阻礙，彎曲后更容易發(fā)生回彈現(xiàn)象。單層納米晶合金帶材彎曲折痕寬度最小，僅為42.78μm，而其雙層上層帶材折痕寬度達(dá)到120.32μm，比單層帶材折痕寬度增大了181.25%。

（3）疊層剪切加工與單層剪切加工得到的斷面形貌具有差異性，單層剪切斷面形貌以剪切斷裂區(qū)為主，并伴隨小量毛刺；疊層剪切斷面形貌容易發(fā)生不同程度損傷，如材料堆積、局部剝落等。此外對比分析疊層剪切與單層剪切下的帶材剪切邊緣磁疇結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)疊層剪切加工由于應(yīng)力能增大，而導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變化。在剪切速度為50 m∕min，徑向重疊量s/t=100%條件下，單層納米晶合金帶材的毛刺高度為4.09μm；雙層納米晶剪切時平均毛刺高度比單層剪切產(chǎn)生的毛刺高度增加了10.3%；三層納米晶合金帶材平均毛刺高度增加了31.8%。

（4）剪切速度和徑向重疊量是影響疊層納米晶合金帶材剪切加工的重要因素。隨著剪切速度的增加，各層納米晶合金帶材毛刺高度減小，斷面完整性增大，在剪切速度為100 m∕min時可獲得最好的剪切質(zhì)量；而各層納米晶合金帶材毛刺高度隨徑向重疊量的增大，呈先增大后減小的趨勢，斷面完整性則逐漸減小，在徑向重疊量s/t=75%時可獲得最好的剪切質(zhì)量。