高速加工中材料亚表面损伤的“趋肤效应” | 极端制造期刊文章推荐

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Citation: Zhang B, Yin J F. The 'skin effect' of subsurface damage distribution in materials subjected to high-speed machining. Int.J. Extrem. Manuf. 1, 012007 (2019).

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文章导读

材料加工损伤严重影响加工后零件的性能、寿命和可靠性，一直是机械制造领域必须面对的问题。随着科学技术的飞速发展，对零件加工表面完整性的要求越来越高。如何实现材料，尤其是难加工材料的高效低损伤加工是机械制造领域亟需克服的挑战。张璧教授发现，超高速加工中，材料加工损伤深度随着加工应变率的提高而降低，表现出“趋肤效应”。超高速加工能够提高加工区域材料的应变率，降低加工损伤深度，提高加工表面完整性，同时可极大地提高材料加工效率。因此深入研究超高速加工机理，对我国基础工业制造技术的升级换代具有指导意义，对实现由制造业大国向制造业强国转变具有重要的战略意义。

随着现代机床技术和制造技术的升级，实现超高速加工并不困难，然而有关超高速加工机理的研究却陷入“瓶颈”，未取得重大突破。为此，张璧教授与博士生殷景飞在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表的综述文章《The‘skin effect’ of subsurface damage distribution in materials subjected to high-speed machining》，系统地介绍了超高速加工中材料加工损伤的趋肤现象，并探讨引起“趋肤效应”的主要影响因素，最后展望了该研究领域的未来发展方向。

研究背景

人类生活在一个由材料支撑的世界里。不同材料的物理、力学和加工特性迥异。如何利用不同材料为社会服务，提高生活质量，一直是个重要的研究课题。一方面我们需要利用现代制造技术，如机械加工、激光切削、成形、锻造、焊接等将不同材料加工成各种产品。另一方面，加工出来的产品必须满足一定的使用性能和功能要求，这些要求可能包括强度、韧性、抗疲劳性能（例如飞机发动机和桥梁）、耐磨性（例如轴承和刀具）等方面。要实现产品的功能，必须根据用途选择恰当的材料，例如，钛合金、镍基高温合金和铝合金通常应用于航空航天领域；晶体硅是半导体和光伏产业中主要的衬底材料；蓝宝石被用作LED的衬底材料；陶瓷已被用于高精度轴承和刀具；玻璃在光学零件和光线传输中不可或缺。

然而，这些材料在加工过程中很容易引入亚表面损伤。一方面，钛、铬镍铁合金和铝合金等材料在加工过程中，加工硬化和刀具磨损显著，导致加工表面出现变质层。由于变质层的硬度、韧性、塑性等力学性能与基体材料不同，一般会降低零件的实际性能。另一方面，SiC、蓝宝石和硅片等硬脆材料，在加工过程中很容易引入亚表面损伤，严重影响零件的性能和寿命。

亚表面损伤存在于加工表面以下，难以从加工表面观测得到其分布。即使工件加工表面光滑，也不能代表工件材料内部不存在损伤。仅仅根据加工表面检测优化加工工艺参数，很不合理。因此，亟需研究材料加工中亚表面损伤的形成机理和分布规律，以便更加合理地指导优化加工工艺。

与传统加工方法相比，高速加工(High-Speed Machining，HSM)能提高材料加工效率、减少刀具磨损、抑制工件加工损伤，并且可用于加工多种不同材料且对工件性能没有特殊要求。高速加工中，材料加工应变率高，可以引起亚表面损伤的“趋肤效应”，即在高应变率下，加工引入的亚表面损伤只分布在工件的浅表层。因此，高速加工在材料的高效率、高质量加工中具有巨大的潜力。然而，超高速加工中材料内部亚表面损伤分布呈现“趋肤效应”的内在机制尚不明确，有待进一步研究。

最新进展

基于国内外关于加工损伤的研究成果，本文确定了导致损伤形成的主要因素。在应力应变场、温度场、材料对载荷和加载速率的响应、裂纹萌生和扩展等诸多影响因素中，认为应变率是导致材料加工过程中损伤“趋肤效应”的主导因素。本文阐述了在高应变率(>10³s^-1)加工下材料发生脆化现象，进而引起亚表面损伤呈现“趋肤效应”，并从材料特性、应力波效应、位错动力学和裂纹萌生与扩展等方面，讨论了亚表面损伤的“趋肤效应”机理。

3.1 材料亚表面损伤的“趋肤效应”

    图1从应变率的角度很好地阐述了损伤形成的“趋肤效应”，即硬脆材料中的亚表面损伤深度随着加工应变率的增加而减小。图1中的最佳拟合线表明，在数学表达上，亚表面损伤深度与应变率的负指数成正比，如公式(1)所示，

                           （1）

这里k为常数(图1中k = 1531)。

此外，在金属材料加工中也可以发现损伤“趋肤效应”。在Pawade等人对IN-718、Jin等人对镍基FGH95高温合金、Kishawy和Elbestawi对D2工具钢以及Veldhuis等人对镍基ME16高温合金进行的早期研究中，已经表现出加工损伤存在“趋肤效应”。趋肤效应不仅存在于像陶瓷、半导体材料和玻璃等硬脆材料中，也存在于金属材料中，如高温合金和工具钢。

    “趋肤效应”是工程材料加工的一种固有特性，可以理解为“在高应变率加载过程中，材料的损伤（例如裂纹、位错、相变）集中在局部加载区域，损伤范围随着加工速度（应变率）的增加而减小，反之亦然。

图1.  硬脆材料的亚表面损伤深度随加工应变率变化而减小

3.2 高应变率下材料“脆化”机理

加工中的应变率dε/dt可表示为：

                    （2）

公式中dρ/dt是位错密度随时间的变化率；b为Burgers矢量；L表示位错移动距离；v位错移动速度。公式(2)的右边有两项，第一项代表位错的形核和湮灭，第二项代表位错的运动。位错速度受声子拖曳效应与跨越障碍物的时间限制，一般不超过材料中的声速。在足够高的应变率下，已有的位错运动不能即时消耗加载能量时，会产生更多新的位错来适配加载能量，并以声速发射出去，引发位错雪崩。位错在运动过程中相互作用，发生纠缠，然后固定化，并进一步阻碍位错的移动。这样材料的塑性变形就被限制，导致材料被强化。高应变率下，材料断裂时塑性变形被抑制，材料表现为脆性。

Zhang等人研究了磨削加工时陶瓷的脆性对亚表面损伤深度的影响，发现亚表面损伤深度随着陶瓷脆性的增加而减小，如图2所示。而在高速磨削过程中，材料的脆性随着加工应变率的提高而增加。因此，在材料的高速加工中，亚表面损伤深度随着加工应变率的提高而减小，即亚表面损伤的分布表现出“趋肤效应”。

图2.  亚表面损伤深度随材料脆性的变化

3.3 位错动力学理论

材料内部的位错运动最终会形成晶界或裂纹，对加工损伤的演化至关重要。在外部加载情况下，位错的形核、增殖和运动将消耗加载能量。材料中位错的运动受镜像力（Image Force）的作用，逐渐向自由表面运动，这导致材料表层的位错密度高于亚表面的位错密度。并且，随着加工应变率的提高，位错密度的分布梯度会更大，反之亦然。在高应变率下，位错主要集中分布于材料浅表层。当位错密度不足以消耗加载的能量时，首先在材料表层发生位错缠结，然后导致晶粒细化或开裂，形成加工损伤。因此，在高应变率下，亚表面损伤的分布遵循“趋肤效应”。

3.4 应力波效应

在高应变率下，应考虑应力波对亚表面损伤“趋肤效应”的影响。刀具高速挤压工件会产生压缩应力波，如图3所示。加工过程中，应力波沿切削方向传播，由于待加工自由表面距离刀尖（加工区域）最近，传播距离最短，应力波的波前会首先到达自由表面，并在自由表面反射。压缩应力波经自由表面反射后，转变为拉伸应力波，进而在自由表面附近产生足够的拉伸应力，导致表面材料脆化层产生裂纹。因此，裂纹和损伤主要集中在被加工工件的浅表层而不是远离表面的内部。

图3.  高速加工中应力波在工件中传播的示意图

3.5 裂纹的形核与扩展

材料损伤可以看作是加载过程中能量耗散的一种表现。损伤不仅与加载应力幅值相关，还取决于加载过程中的应变率。当应变率增加时，损伤相应增加。研究发现，岩石破碎时的能量密度随应变率的幂律而增加。如图4所示，低应变率下，切屑尺寸大，能量耗散少，导致损伤穿透深度大；高应变率下，加工区域材料被粉碎成更细小的切屑，消耗了大量的能量，进而导致亚表面损伤深度降低。另外，与材料内部深处相比，工件的自由表面对裂纹扩展的阻力最小，基于材料阻力最小的原则，裂纹倾向于向自由表面扩展，从而导致损伤向表层集中，产生“趋肤效应”。

图4.  不同应变率加工下亚表面损伤的分布

在实际加工中，亚表面损伤的“趋肤效应”是应变率、位错运动、裂纹萌生和扩展、材料相变、应力分布和应力波传播等诸多因素以及材料性能变化共同作用的结果。这些影响因素之间又相互紧密关联，所以，单从一个因素分析很难揭示“趋肤效应”机理。然而，加工损伤的“趋肤效应”可以从能量耗散的角度来理解。从能量的角度来看，加工是一种能量再平衡过程。能量最低的系统是最稳定的，机械加工具有向最稳定也是能量最低状态转变的趋势。材料损伤（包括位错和裂纹等）的产生，是能量松弛和耗散的一种方式。基于最小能量原理，材料损伤向能量最低的方向扩展。与材料内部的其它位置相比，自由表面的能量最低，因此损伤倾向于向自由表面扩展。

在高应变率加工条件下，加工区材料的位错与滑移数量会大幅度降低，从而抑制加工热的产生。材料加工过程中产生的热量主要来源于材料的剪切变形和摩擦。然而，在高速加工条件下，加工区材料脆化，剪切变形和摩擦减少。与传统加工相比，加工热相应减少，温升降低。

未来展望

高应变率加工损伤的“趋肤效应”可为许多工业应用提供指导。在机械加工中，基于材料损伤的“趋肤效应”理论，可以通过提高机械加工中的应变率获得所需的加工表面质量。随着现代检测设备和技术的飞速发展，各种先进可控的检测环境和平台逐渐成为现实。高速高精度的机床及各种先进的表征设备，如聚焦离子束系统(FIB)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、阴极荧光(CL) 设备、扫描透射电子显微镜(STEM)等可以为研究高应变率加工损伤“趋肤效应”机理提供技术保障，使解决上述问题成为可能，损伤“趋肤效应”的潜在物理机制可在不远的将来得到进一步探索。

作者简介

张璧教授长期从事精密制造研究，是世界上最早开展硬脆材料精密加工研究的学者之一。他是国际生产工程院（CIRP）会士（Fellow），美国机械工程师协会（ASME）会士（Fellow），《Nanotechnology and Precision Engineering》国际期刊编委，《中国机械工程学报》英文版编委，《金刚石与磨料磨具工程》编委，中国机械工程学会生产工程分会常务委员。

殷景飞，大连理工大学博士生，研究方向包括硬脆材料加工损伤机理、高速加工中材料动态力学响应和亚表面损伤的激光散射检测。

《极端制造》期刊简介

《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM），获中国科技期刊国际影响力提升计划D类项目资助，致力于发表极端条件下制造及相关领域的高质量最新研究成果，文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设五大栏目：极端制造能场与材料相互作用、极端制造加工技术与理论、极端制造测量与表征、极端性能装备及系统的设计及研发、极端物理条件产生装置的制造。IJEM现已被CNKI、INSPEC、DOAJ等数据库收录。

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编辑：李楠   校对：张强

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