微裂纹特性对复合材料切削性能影响研究

转 动 ， 裂纹 加 大 ， 至深 度也 会增 加 。 使 甚
从图 ５ ａ和 图 ５ ｂ可 以看 出 ， ｉｐ／ 一 ＳＣ Ａ１ ＨＴ８铝 基
复 合材 料 中微裂 纹 的产 生大都 与 材料 中 的碳 化硅 颗
粒 有关 。图 ５ ａ中 的 ２条 微 裂纹 中间 是 由碳 化 硅 颗 粒 和少 量 的铝组 成 。产 生这种 现 象是 由于碳 化 硅颗
容 易些 （ 由切 削 力 下 降 可 以 看 出 ） 从 切 削 力 对 应 的 。
《 技术 新工 艺》・ 加工 工艺 技术 与材 料研 究 ２ １ 新 热 ０ １年 第 ９期
・１ ３ ・ １
长 微裂 纹变 化 ， 由浅 微裂 纹 向深微 裂 纹变 化 ， 裂 纹 微
之 间 的间距 也变 大 。切 屑为挤 裂 切屑 。
削 用 量 条 件 下 切 削 力 、 屑 形 态及 微 观 金 相 组 织 的 变 化 规 律 ， 用 对 比 分 析 方 法 得 出 了切 屑 形 态 的 变 化 切 采 与 切 削 用 量 及 切 削 力 之 间 的 关 系 ， ｉ ｐ Ａｌ 合 材 料 的 内部 缺 陷 ， 如 颗 粒 分 布 不 均 匀 、 裂 纹 以 及 气 孔 ＳＣ ／ 复 例 微 是 影 响 其 切 削性 能 的 主 要 因 素 。 关 键 词 ： 合 材 料 ；微 裂 纹 ； 屑 形 貌 ； 削 性 能 复 切 切 中图分 类号 ： Ｇ ５ １ Ｔ ０ 文 献标 志码 ： Ａ
（ ｃ ｏ ｌ ｆＭ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｓ ｈ ｏ ｃ ａ ｉａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｓ ｅ ｙ ｎ ｉ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｈ ｎ ａ ｇ Ｌ ｇ ｎ ｉｅ ｓｔ ｙ，Ｓ ｅ ｙ ｎ ０ ９，Ｃｈ ｎ ） ｈ ｎ ａ ｇ １ １ １ ５ ｉａ
Ａｌ 复合 材料 的加 工效 率 和质 量 ， 进 ＳＣ ／ 复 合 促 ｉｐ Ａ１
由于 刀 具 以 脉 冲形 式 给工 件 施 力 ， 屑 塑性 变 切
形小、 承受 应力 小 、 切屑连 续性 较好 、 现松 螺卷 形 、 呈
材料 切 削加工 技 术 的发 展 ； ＳＣ ／ 复 合 材 料 切 对 ｉ ｐ Ａ１
图 ５ 金 相 组 织 照 片
程 已断裂 的 ＳＣ颗粒 或 本身 含有 缺 陷的 ＳＣ颗 粒 中 ｉ ｉ
形 核 。微 裂纹 的连 接 形 成 主 裂 纹 ， 裂 纹 与 主 裂 纹 微
１ ４ １ 微 裂 纹 的 产 生 ．．
多晶材 料本 身在 微 观上存 在 着许 多不 均匀 和各
种 缺 陷 ， 而为 变形 时微 裂 纹 的 形 成 和 扩展 提 供 了 从 可 能 。对 多 晶 材料 ， 内部 包 含着 如 晶界 、 洞 、 其 空 固 溶 原 子 、 二相颗 粒 和位 错 。 第
削机理 的深 入 研究 有 积 极 的 促 进 作 用 ； ＳＣ ／ 对 ｉｐ Ａ１
薄 而长 、 曲半 径 大 ， 振 动 切 削 其 他 塑 性 材 料 类 卷 与 似 。但 由于材料 本 身 结构 特 点 ， 接合 面 存 在 微 观 如 缺 陷和 微观 裂纹 等 ， 使 形 成 的 切 屑 也不 完 全 是 塑 致
时 的碳化 硅 颗粒 聚集 在一起 呈 非均 匀分 布状 态 。碳
化 硅颗粒 的密集 度越 高 ， 裂纹 的深。
ａ 碳 化硫 颗粒 ） ｂ 铝 ）
由此 可 见 ， 裂 纹 成 核 主要 在 ＳＣ颗粒 周 围 的 微 ｉ
基 体 、 ｉ 粒 与基体 的上 界 面 ， 数 在 加工 制 备 过 ＳＣ颗 少
微 裂 纹 特 性对 复合 材 料 切 削 性 能影 响研 究
刘玉香 ， 其 山， 立爽 ， 孙 王 王 凡
（ 阳理 工 大 学 机 械 学 院 ， 宁 沈 阳 １０ ５ ） 沈 辽 １ １ ９
摘
要： 通过 观 察碳 化硅 颗粒 增 强铝基 复合 材料 （ ｉ ｐ Ａ１切 削加 工试验 过 程 ， 量 并分 析 了不 同切 ＳＣ ／ ） 测
ｏ ｓ ｒ ａｉｎ ｏ ｕｔｎ ｘ ｅ ｉ ｎ ｒ ｃ ｓ ｏ ｉ ａ ｔ ｌ ｅｎｏ ｃ ｄ ａｕ ｎ ｍ （ ｉ ／ ） ｃ ｍｐ ｓｔｓ Ｔｈ ｅａｉｎ ｅ ｂ ｅｖ ｔ ｆｃ ｔｉｇ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｐ ｏ ｅ ｓｆｒＳＣｐ ｐ ｒｉ ｅ ｒｉｆ ｒｅ ｌｍｉｕ ｏ ｃ ＳＣｐ Ａ１ ｏ ｏ ｉ ． ｅ ｅ ｒｌｔ ｓ ｂ — ｏ
粒 在切 削力 的作 用 下 挤 压 到 了一 起 ， 而 与基 体 材 从
料 铝分 离 。 图５ ａ的微 裂纹 是 深微裂 纹 也是 长微 裂纹 ， 化 碳 硅 颗粒 相对 密集 ， 图 ５ 而 ｂ中则 相 反 ， 为短 微 裂 纹 和
图 ５ ａ和 图 ５ ｂ是 同一 放 大 倍 数 的 切 屑 金 相 组 织
从 图 ５ 、 ５ 以 及 所 对 应 的 切 削 力 所 产 生 切 ａ图 ｂ
屑 的形 貌可 以看 出 ， 化 硅 颗 粒 的脱 落是 产 生 形 貌 碳
变 化 的原 因 。
豳一
圈
图 ４ 裂 纹 的 外 观 形 态
１ ４ ２ 微裂 纹 的扩展 ．． 对 ＳＣ ／ 复 合 材料 在 切 削 过程 中 的缺 陷 ， ｉ ｐ Ａ１ 如 材 料 中的空 洞 、 材料基 体 的缺 陷等 ， 生 的微 裂 纹源 产 聚 集在 一起 后 ， 材料 中 的碳 化 硅 颗 粒 更 容 易脱 落 和
Ａｂ ｔａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐｅ ， ｃ ｔｎ ｏ ｃ ｃ ｐ ｓ ｐ ｎｄ ｍ ｅ ａ ｌｇｒ ｐ ｃ ｓ ｒ ｔ ｅ ｗ ｅ ｅ ｍ ｅ ｓ ｅ ｎｄ ａ ｌ ｅ ｈ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｔ ｉ ａ ｒ ｕｔｉ ｇ ｆ ｒ ｅ， ｈｉ ｈａ ｅ ａ ｔ １ｏ ａ ｈｉ ｔｕｃ ｕｒ ｒ ａ ｕｒ ｄ ａ ｎａｙｚ ｄ ｔ ｒ ｕｇｈ ｔ ｈｅ
ｔ ｅ ａ ｉｔ ｎ ｏ ｈ ｐ ｓ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉｇ ｄ ｔ ｎ ｕ ｔ ｇ ｆ ｒ ｅ ｗｅ ｅ ｏ ｓ ｒ ｅ ｅ ｐ ｃｉ ｅ ｙ ｂ ｓ ｎ ｈ ｏ ａ ａ ｉ ｅ ａ ｗｅ ｎ ｖ ｒａ ｉ ｆｃ ｉ ｈ ｐ ｎ ｈ ｕ ｔｎ ａ ａ ａ ｄ ｃ ｔｉ ｏ ｃ ｒ ｂ ｅ ｖ ｄ ｒ ｓ ｅ ｔ ｌ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｔｖ — ｏ ｎ ｖ
照片 ， 中可 以很 清 晰 地看 出碳 化 硅 颗 粒 与 铝在 切 从 削后 的不 同 。从 而对 微 裂纹 的产 生 和扩展 机理 进行 简 要分 析 。
浅 微裂纹 ， 化硅 颗粒 相对 疏松 。也就是 说 ， 碳 尽管 在 ＳＣ Ａ１ ８铝 基复 合 材 料 切 削前 碳 化 硅 颗 粒 是 ｉ ｐ／ 一 ＨＴ 均 匀分 布 的 ， 但受 切 削力 和切 削热 的影 响 ， 新接 合 重
ｎ ｌ ｓｓ ｍ ｅ ｈｏ ａ ｙ ｉ ｔ ｄ． Ｔ ｈｅ ｒ ｓ ｔ ｎｄｉａ ｅ ｔ ｔ ｔ ｍ ａｎ ｆ ｃ ｏ ｈａ ｆｅ ｔ ｕｔｉ ｏｐ ｒ ｙ ｗａ ｉ ｅ ｆ ｃ ｆ ｔ ｓ ｃ ｍ ｐ ｉｅ ｅ ｕｌｓ ｉ ｃ ｔ ｄ ｈａ ｈｅ ｉ ａ ｔ ｒ ｔ ｔ ａ ｆ ｃ ｓ ｃ ｔｎｇ ｐｒ ｅ ｔ ｓ ｎｎ ｒ ｄｅ ｅ ｔ ｏ ｈｉ ｏ ｏｓｔ ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｓ ｃ ｓ ｐ ｒ ｉｌ ｉｅ ｄｉｔ ｉｕｔｏ ｎｅ ｅ ｔ ｒａ ， ｕ ｈ ａ ａ ｔｃ ｅｓｚ ｓ ｒｂ ｉ ｎ ｕ ｖ ｎ，ｍ ｉｒ — ｒ ｃ ｃ ｏ ｃ ａ ｋ，ｐｏ ｏｓｔ ｎ ｏ ｏｎ ｒ ｉｙ ａ ｄ ｓ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｍ ｐ ｓ ｔ ｙ ｗｏ ｄ Ｃｏ ｏ ｉｅ ｍａｔ ｒａ ， Ｍ ｉｒ ｒ ｃ ｅ ｉｌ ｃ ｏ ｃ ａ ｋ，Ｃｈｉ ｈａ ｐ ｓ ｐｅ，Ｃｕｔｉ ｒ ｐｅ ｔ ｔｎｇ ｐ ｏ ｒｙ
也 存 在片 状破碎 现 象 。这表 明金 属基 复合 材料 的切 削过程 不 完全 等 同于 塑 性 材料 的 切 削过 程 ， 而是 与
切 削脆 性 材 料 时 类 似 振 动 切 削 状 态 下 的 切 屑 相 类
似。
削 的规 律和本 质 。此项 研 究 的 意义 在 于 提 高 ＳＣ ／ ｉ ｐ
性 的 ， 于 塑性 和 半 塑性 之 间 的挤 裂 切 屑 。切 削 速 属 度 的不 同 ， 屑形 态也 有差 异 。随着 速度 的增 加 ， 切 切
复合 材料 的广 泛应 用及 相关 科学 技术 的发展 也具有
一
定 推动 作用 。
１ ＳＣ ／ 复合 材 料 的 切 削 试 验 ｉ ｐ Ａ１
１ １ 试 验 条 件 ．
屑 的塑性 变 形强 烈 ， 曲半 径减 小 、 卷 厚而 短 。振动 切
削 的效果 虽 有所 减 弱 ， 振 动 切 削 的脉 冲效 应 仍 然 但
１ ）试 验原 材料 ： ｉ ｐ Ａ１ ＳＣ ／ 一 ＨＴ８ 材 料组 分 为 ＳＣ ， ｉ
有作 用 ， 减少 了切 屑 的塑性 变形 。
１ ３ 切 屑 的 形 貌 与 切 削 力 的 关 系 ．
颗粒 ， 其体 积分 数 ５ ％～５ ％ ， ４ ８ 其余 为铝 合金 基体 。
２ ）试 验设 备 ： 欧马 Ｅ ５ ６ Ｏ型立 式加 工 中心 ， 点 压 晶体 三 向测 力仪 。刀 具材 料 ： Ｃ Ｐ Ｄ。 ３ ）试 验方 法 ： 用 刨削 方法 ， 测在 不 同切 削 采 观 用 量条 件下 ， 屑 的形 态 及切 削力 的变 化规 律 。 切 １ ２ 微裂 纹形 貌与 切削 速度 的关 系 ． 普 通 材 料刨 削 加 工 的切 屑 短 而 厚 ， 屑 变形 较 切 大 ， 态 为 卷 曲 半 径 较 小 的 螺 旋 屑 。 图 １ 为 形
ＳＣ ／ 复 合 材 料 是 一 种 难 加 工 材 料 ， 仅 切 ｉ ｐ Ａ１ 不
削效 率低 ， 且刀 具 寿命 短 。随着制 造业 的发 展 ， 而 这
ＳＣ ／ 一 ｉ ｐ Ａ１ ＨＴ８ 合材 料 在 不 同切 削 条 件 下 ， 屑 与 复 切 加 工表 面 的形 态 。可 以看 出 ， 屑 两 侧有 锯 齿 状 的 切 边 缘 ， 屑正面 呈 现层 片状 的破碎 ， 切 同时被 加工 表面
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｉｒ －ｒ ｃ ｔ ｄ ｆＭ ｃ ｏ ｃ ａ ｋｓＣｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓｏｆＣｏ ｐｏ ｉｅＭ ａ ｅ ｉ ｌＣｕ ｔｎｇ Ｐｅ ｆ ｒ ａ ｅ Ｉ ｐａ ｔ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｍ ｓｔ ｔ ｒａ ｔｉ ｒ ｏ ｍ ｎｃ ｍ ｃ
ＬＩ Ｙｕ ｉ ｎ Ｕ ｘ ａ ｇ，Ｓ ＵＮ ｓ ａ Ｑｉｈ ｎ，Ｗ ＡＮＧ ｓ ｕ ｎ Ｌｉｈ ａ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｎ Ｆａ
些材 料 的用量 迅 速 增 加 ， 工 的 矛 盾 更 加 突 出 。其 加 材料 的特点 决定 了其切 削 机理 显著 地 区别于 常规 材
料普 通 切削 速度 下 的切 削 机理 。研 究 ＳＣ ／ 复 合 ｉｐ Ａ１ 材料 切 削机理 的 目的是 通 过对切 削 条件 下难 加工 材 料 的切 削力等 内容 的研 究 ， 合 材 料 特 性 揭 示 其 切 结
图 ２为 刨 削 加 工 得 到 的切 屑 外 观 形 貌 。图 ３ ａ 和 ３ ｂ为 切削 力在 不 同背吃 刀量 条件 下 ， 削 速度 与 切
切削 力 的关 系 曲线 。
在 不 同 的背 吃 刀 量下 ， 切削 力 随 着切 削 速 度 的 增加 而减 小 ， 这是 由于 在 切 削 过程 中摩 擦 所 产 生 的 热使 得本 身熔 点 较 低 的铝 软 化 ， 削过 程 自然 变 得 切