大应变切削中切削速度对纯铜纳米晶切屑微结构及性能的影响

吴春凌，聂 斌，陈 斌

（1.湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430000；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430048；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430000；4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430000）

1 引言

超细晶材料由于具有晶粒细小、晶界面积大及缺陷密度高等特点，有着优异的物理性能和化学性能，在光、电、磁、热等领域中可以有广泛的应用前景［1-3］。LSM作为一种剧烈塑性变形（Sever Plastic Deformation，SPD）方法，可以在一个单一的变形阶段使工件材料受到刀刃的剪切和前刀面挤压产生剧烈塑性变形从而形成高强度的超细晶切屑［4-6］，同时克服了传统SPD方法加工繁琐的局限性［7-8］，其工作原理，如图1所示。

图1 平面切削示意图Fig.1 Schematic Diagram of Plane Cutting

文献［9-10］通过LSM 成功制备出具有纳米结构的纯铜和Al6061-T6合金切屑一次大应变切削后，铜和铝合金切屑的累积应变分别达到13和5.2，晶粒尺寸由原来的50μm和20μm分别细化至（200～300）μm和（50～80）μm，硬度由原来的55HV和110HV分别提高至150HV和160HV。文献［11］发现刀具前角是改变切屑应变和晶粒度的最主要因素，随着刀具前角由5°减小至0°，晶粒尺寸由（1～12）μm细化至（0.15～2.71）μm，显微硬度比母材增加了44%。文献［12］在切削速度为1m/s和1.7m/s，刀具前角为0°和-10°条件下对等原子CrFeMnNi高熵合金进行切削，观察到其显微组织都有超细晶粒，当切削速度为1.0m/s、刀具前角为-10°时，得到的超细晶粒比其他切削条件更均匀，切屑试样的抗拉强度高于母材，但塑性显著降低。文献［13］利用LSEM制备Al6063超细晶切屑时发现，切应变会随着切屑压缩比的增加和前角的减小而增加，微晶尺寸会随着应变速率的增加而增加。文献［14］使用压缩比为1.0、前角为10°的组合刀具，采用LSEM工艺成功制备出平均晶粒尺寸为200μm 超细晶铝合金切屑，随着退火温度由100℃升至400℃且退火处理时间为1h，晶粒形态由细小的等轴晶变为大量的细长颗粒，尺寸由（150～600）μm增大至（300～800）μm，切屑的硬度值会从1430MPa减少至803MPa。文献［15］运用LSEM一次变形生产AZ31B镁合金板材时得到，通过控制绝热加热和动态再结晶程度，可获得超细晶（100～500)μm和常规细晶（2～5)μm的显微组织。文献［16］将Al-7075块体浸入液氮中进行LSM，与常温切削对比，低温下得到的切屑表面光滑，形状连续，其内部微观组织的错位密度更高，提升了材料的塑性，且低温抑制了材料软化和动态回复，切屑的显微硬度随着速度的增加而下降趋势减缓，硬度值趋于在（146～167）HV范围内。文献［17］运用大应变挤出工艺（LSEM）在低温切削条件下制备AZ61镁合金切屑时发现，相比常温切削，低温机械加工样品呈现出更高的显微硬度和更高的晶粒细化，且热软化下降。文献［18］对镍基高温合金、钴镍类钢和铝合金进行超高速切削研究发现，随着切削速度提高，变形区材料温度会升高，在扩散蠕变控制塑性变形阶段，变形部位材料迅速发生恢复再结晶，使材料的塑性得到提高。

研究学者对大应变常温、低温切削过程中刀具前角对切屑变形参数、微结构和力学性能的影响做了大量研究，发现刀具前角是影响切屑塑性变形的最主要因素，但对切削速度对超细晶切屑的变形参数、微结构和力学性能的影响规律研究还有不足，本文通过Deform-3D对纯铜材料进行模拟和实验切削，分析不同切削速度对切削变形区等效应变、应变速率、切削温度、切屑微结构和力学性能的影响并探索产生的原因及规律。

2 模拟与分析

2.1 离散单元模型的建立

实验材料选用紫铜管材，外径为70mm，壁厚为5mm，其再结晶温度为（200～280）℃，熔点为1083℃，晶粒呈现粗大等轴状且分布均匀，平均晶粒尺寸约为50μm，维氏硬度为85HV。工件材料假定为刚塑性，切削参数选取为紫铜切削深度ap=0.1mm，进给量f=0.1mm，后角α0=5°，刀具前角γ0=-20°和20°，切削速度分别为42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s。

2.2 切削过程分析

在刀具前角为-20°，切削速度为42.5mm/s的切削条件下，模拟切削过程中各个变形参数的分布状况，如图2所示。

图2 大应变切削过程中变形参数的分布状况Fig.2 Distribution of Deformation Parameters During Large Strain Machining

在保持刀具固定的前提下，工件相对刀具以速度V0从左至右的方向进行水平移动。图2显示，当步数为400时，切削变形主要集中在第一变形区，最大剪应变值和最高温度都发生在切屑与刀具前刀面的接触区域，主要是因为被切削材料在第一变形区由于集中切削的作用，切屑排出时受到剧烈挤压，从而底层继续产生剧烈变形，故最大等效应变和最高温度变化主要集中在第二变形区，而等效应变率的变化主要在第一变形区，是因为其数值随着切削材料与刀具切屑刃距离的减小而增大。

运用图2所示的模型，改变刀具前角和切削速度，将得到的数据制成图表，如图3所示。

图3 切削过程中切削速度对切削等效应变速率、等效应变和切削温度影响规律Fig.3 Influence of Cutting Speed on Equivalent Strain Rate,Equivalent Strain and Cutting Temperature in Cutting Process

-20°刀具前角切削条件下，随着切削速度增大，最大等效应变从5.49 逐渐降至4.36，等效应变速率和切削温度分别从14.9mm/mm/sec和126℃逐渐升高至191mm/mm/sec和298℃。在20°刀具下，等效应变从3.50逐渐降至2.66，等效应变速率和切削温度分别从22.3mm/mm/sec和83.9℃逐渐升高至189mm/mm/sec和162℃。

等效应变速率和切削温度比等效应变受切削速度的影响更大，相比20°刀具，-20°刀具下等效应变和切削温度随着切削速度的增加而呈现明显的上升趋势。

3 微观组织分析

3.1 切削制备

切屑制备材料为紫铜管，外径为70mm，壁厚5mm。切削实验装置为CA6140车床，转速分别设置为25r/min、50r/min、108r/min、130r/min、260r/min，对应车削速度即为42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s。

切削刀具选用高速钢，刀具后角统一为α0=5°，刀具前角分别为γ0=-20°和20°。

切削时采用自动进给，采用0.1mm/r，切削深度为0.1mm。实验装置车床，如图4所示。

图4 切屑制备装置Fig.4 Chip Preparation Device

3.2 切屑微观组织EBSD分析

采用前角为-20°的高速钢刀具，切削速度分别为42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s 制备大应变铜切屑。通过EBSD技术观测切屑微观组织的变化情况。

第一列反映晶粒大小和分布形态的状况，第二列局部平均取向差图（KAM）反映位错密度状况，二个区域表示位错密度最低或中等区域，第三列为切屑EBSD再结晶图，如图5所示。

图5 刀具前角为-20°时，不同切削速度得到的切屑EBSD云图Fig.5 EBSD Nephogram of Chips with Different Cutting Speeds when the Rake Angle is-20°

切削速度为42mm/s和85mm/s时，切屑由均匀且细密的等轴晶粒组成，晶粒尺寸主要在0.35μm以下，由于原始粗晶粒发生剪切变形,晶粒滑移产生了大量的位错，晶粒内部位错呈树枝状，晶粒内部密度较高，小尺寸红色变形晶和小尺寸蓝色再结晶占得比例偏多。

切削速度为183.6mm/s和221mm/s时，切屑内部晶粒细化减弱，较大尺寸晶粒增多，树枝状结构和等轴状结构明显减少，晶粒内部位错密度低，黄色的亚晶和蓝色的再结晶比例较高，红色变形晶分布少，说明随着切削温度的增加，使得晶粒内部再结晶过程趋于稳定，晶粒尺寸开始增大。

切削速度为442mm/s时，大尺寸晶粒明显增加，晶粒尺寸大于1μm，无规律地分布在小尺寸晶粒之间，且切削温度进一步升高导致材料发生热软化，使晶粒发生软化变形，大尺寸变形晶粒开始增多。

随着切削速度的提高，切屑的等效应变略微下降，导致工件受到的塑性变形程度降低，并且切削速度的显著提高增加了切屑变形区的温度从而使切屑材料的晶粒发生动态回复，削弱晶粒的细化程度,通过热激活促使位错滑移导致位错重新组合和抵消,导致位错密度减小,削弱了位错强化的作用。

切削速度的提高也会导致材料发生塑性变形的速度加快，使切屑在短时间内不能完全充分的塑性变形，部分大尺寸晶粒得以保留，从而削弱了细晶强化的作用,降低了变形阻力并减轻了塑性变形所产生的加工硬化。

为了对比正负刀具前角在切削过程中切削速度对切屑微结构的影响差异，采用刀具前角为20°，切削速度分别为42.5mm/s、85mm/s、183.6mm/s、221mm/s、442mm/s 对工件进行与负前角相同条件下的大应变切削。通过EBSD技术观测切屑微观组织的变化情况。

五种切削速度得到的切屑晶粒尺寸变化不大且晶粒分布均匀，晶粒内部位错密度变化程度不大，速度为183.6mm/s时略有降低，晶粒内部主要以再结晶和亚晶为主，且晶粒分布均匀。

说明切削速度对20°刀具下制备的超细晶切屑在晶粒尺寸、位错密度和再结晶分布等方面影响不显著，如图6所示。

图6 刀具前角为20°时，不同切削速度得到的切屑EBSD云图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

在刀具为-20°和20°的条件下，得到的不同速度下晶粒尺寸的统计结果，如图7所示。

图7 切屑晶粒尺寸统计Fig.7 Chip Grain Size Statistics

图7显示，切屑的晶粒尺寸主要集中在（0.2～0.6）μm之间，且大尺寸的晶粒数量明显是低于小尺寸的。在切削速度分别为42.5mm/s 和85mm/s 时，得到的晶粒尺寸主要分布在0.35μm 以下，而在221mm/s和442mm/s两种切削速度下，大尺寸晶粒开始增多，少量晶粒尺寸大于1μm。对比图7（a）、图7（b）可以得到：（1）-20°前角的晶粒尺寸明显靠左集中分布，而20°前角的晶粒尺寸偏居中分布；（2）-20°前角下，晶粒尺寸会随着速度的增加而增大，而20°前角下，不同切削速度对晶粒尺寸的影响不明显。

4 力学性能检测

采用HVS-1000型数显显微硬度计，测量出20°和-20°刀具前角下，各切削速度下制备的切屑维氏硬度，得出硬度变化曲线，如图8所示。

图8 在刀具前角为20°和-20°时切屑显微硬度Fig.8 Chip Microhardness at Tool Rake Angles of 20°and-20°

图8显示，在-20°和20°刀具下，晶粒的显微硬度都会随着切削速度的增加而下降。低速段时20°前角和-20°前角下制备的切屑硬度曲线下降较平缓，但随着切削速度的增加，相比正前角，负前角刀具制备的切屑硬度明显下降，当切削速度为442mm/s时，两种硬度值相差了32HV。

负前角切削时，随着切削速度的增加，等效应变速率随之增加，导致切屑不能完全塑性变形，大晶粒尺寸来不及细化充分而得以保留，且切削温度升高产生的切削热导致晶粒发生动态回复，热软化加剧，当软化速度高于塑性变形晶粒细化速度时，切屑的硬度开始逐渐下降。

5 结论

（1）在-20°和20°前角刀具进行大应变切削过程中，随着切削速度的增大，切屑的等效应变降低，等效应变速率和切削温度上升，且相比等效应变，等效应变速率和切削温度受切削速度的影响更大。

（2）采用负前角切削时，晶粒尺寸会随着切削速度的增加而增加，硬度会随着切削速度的增加而减小。切削速度的提高引起等效应变速率升高，导致切屑不能完全充分塑性变形，且随着切削温度的升高,会促使位错会聚而相互抵消，位错密度减小，加剧热软化作用，削弱晶粒细化的程度，晶粒硬度明显下降。相比正前角，切削速度对负前角刀具制备的超细晶切屑在晶粒尺寸、位错密度和硬度等方面具有更加剧烈的影响。

（3）大应变切削过程中，采用负前角刀具在低速切削条件下可以获得更高硬度的超细晶切屑。