基于分子动力学的镍基合金切削机理研究

发布时间：2020-05-16 09:53

【摘要】：GH4169以其优越的综合性能如抗氧化性、耐高温而被广泛应用于航空航天领域,其大部分耐热零件的关键表面都是精密切削或者超精密切削完成的。而材料纳米尺度的研究一直是超精密加工的热门方向。原子角度下对于GH4169不同相结构与多晶结构切削过程的研究,不仅可以从纳米角度解释切削过程的机理,而且为解释宏观切削中材料属性以及刀具磨损做出深入的揭示。本文完成中我们首先做了GH4169的宏观车削实验。通过SEM对切屑根观测图以及微观金相图,我们分析得出剪切带宽度随切削速度增大而减小,而且切屑形成过程中伴随着晶粒的机械破碎与旋转,晶界迁移等变化的结论。之后,为了进一步深入研究切削过程中剪切带形成机制,工件原子的扩散行为以及更微观的相强化机制,本文针对镍基高温合金的纳米微观晶体学结构,通过SEM及HRTEM确定其内部多晶及相组成,从而确定了镍基合金多晶以及多相两种纳米切削模型。同时我们通过仿真实验验证并使用EAM,Tersoff,势能函数来赋予工件与刀具材料属性,并进一步计算及确定了刀具、工件和相两两之间的Morse势参数。最终我们通过Lammps软件仿真完成了整个切削过程模拟。在镍基合金多晶模型的分子动力学切削仿真中通过对原子剪切应变及相对位移的分析,我们分析出在多晶Ni-Fe-Cr工件模型切削中工件原子沿[-110]方向流动这呈现出切削区在该方向的剪切作用。而该作用随着刀具前进与工件原子的进一步挤压最终促成剪切带的形成。另一方面,通过计算镍、铁、铬原子在工件以及刀具中的扩散激活能,我们得出了切削过程中,工件材料中的原子通过晶界扩散到刀具与切屑界面,而后又较易通过碳化硅晶界扩散进入刀具的结论。其中更具体来说,在此晶界扩散中铬原子先进入晶界中,而后铁原子进入,其中镍原子最后完成扩散过程。并且这几种原子在扩散进入碳化硅晶界后会通过键合形成化合物。而在多相模型的切削中,我们通过γ'相切应力,层错能的变化趋势,以及切削过程中的位错相互作用,位错钉扎点数量及其随温度变化分析得出γ'相在切削中的强化作用机制表现为切削一开始工件中γ'相通过位错束集来形成交叉的层错面来阻碍工件变形,并且在刀具与工件接触并引发工件塑性变形阶段γ'相中的位错会通过扭折与割阶复合的一种机制来形成钉扎点从而来起到强化作用的结论。
【图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究意义本课题来源于国家自然科学基金项目“基于镍基高温合金材料微观结构变形特征的低应力切削机理研究”（51505038）和吉林省青年科研基金“切削镍基高温合金的摩擦润滑效应及刀具抗磨损机理研究”（20160520026JH）。镍基高温合金通常是指镍原子的百分含量占 50%以上且在特定高温下具有较高强度以及可焊接，耐腐蚀等优良力学性能的一类合金。GH4169 作为镍基合金的一个牌号，由于其优越的耐高温、耐氧化性能被大量广泛应用在航空发动机的涡轮盘与叶片（见图 1.1）制造中。然而由于其较低的热导、较高的化学能及加工硬化性，加工过程造成的刀具磨损非常严重[1]。该材料具有这些优越的性能主要取决于在无序 FC结构 γ 相中广泛分布的沉析出相 γ'及 γ''相，通过限制塑性变形中位错的运动，极大的提高了整体的强度，，而其 δ 相的存在往往是其加工硬化等不良性能的重要原因。

（c）120m/min （d）140m/min图 2.1 不同速度下的切屑根的扫描电镜观察80 90 100 110 120 130 140051015202530切削速度(m/min)剪切带宽度δ1(mμ)图2.2 剪切带宽度随切削速度的变化剪切区的剪应力 τ 可表示为[46]：1 111cos=/ sinD DFb hωτφ（2-1）
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.15;TG51;V261.2

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本文编号：2666555