纳米切削过程中声发射响应的分子动力学研究

发布时间：2021-09-09 08:07

　　随着高端制造进入纳米制造领域,微纳切削作为一种高精尖制造方法以其简单可行、低成本、适用范围广等特点广泛应用于航空航天、半导体等制造领域。在微纳切削过程中会不可避免地引入空位、位错、裂纹等亚表面缺陷,严重影响了产品的表面质量、强度和寿命等性能。因而,研究加工过程中材料的变形模式及缺陷的形成和扩展对于加工质量的在线监测和提高有重要意义。声发射（AE,Acoustic Emission）作为一种材料内部结构改变时释放的瞬态弹性波,对材料结构改变如位错形核、相变、微裂纹等缺陷的产生有着本质上的高度敏感性。因此,本文基于分子动力学方法,在原子尺度揭示不同程度的脆塑性材料在纳米加工过程中缺陷演化的同时,对不同晶系材料在加工过程中的变形机理和缺陷的声发射响应机制进行研究,对于提高声发射检测准确率与可信度,扩展其应用范围,提高纳米加工质量有着重要意义。本研究结果主要包括三部分:1.通过对超塑性高温合金Ni₃Al在常温和低温下进行纳米切削,研究了切削过程中超位错与反向筹界形成机理,并对低温下工件变形过程中声发射信号频域特征与声发射源分析。结果表明低温下切削过程中包含脆性变形与塑性变... 

【文章来源】：兰州理工大学甘肃省

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

Ni3Al合金切削模型

硕士学位论文29布值接近于0GPa。而在刀具附近，图3.3(a)中压应力具有更高分布值，而图3.3(b)中，刀具附近具有更高的拉应力分布值；这与低温切削过程中存在部分脆性切削相关，对比图中两种切屑，图3.3(a)中切屑原子排列比较杂乱，而图3.3(b)中切屑部分原子排列具有一定次序，并且在CNA分析过程中，图3.3(a)中切屑为无定形状态，而图3.3(b)中切屑原子排列有一定次序。因此，低温切削存在脆性切削，而脆性切削有利于亚表面缺陷的减少和残余应力的降低。图3.3加工过程中应力分布与加工形貌(a)加工温度为293K;(b)加工温度为1K其次，两种应力分布在刀具附近相隔离并形成了三个区域。第一部分位于刀具内部沿着前刀面到后刀面被压应力所包围的拉应力区域；第二部分是刀具正下方呈~90o被拉应力所包围的压应力区域；第三部分是刀具前方压应力所隔绝部分的区域。在[001](010)切削方向/切削面时，刀具附近原子流动并导致应力集中，其流动方向主要有三个[92]：(1)刀具刃角前方上部分原子沿着(111)密排面方向滑移，并在刀具挤压作用下形成刀具前方压应力集中区域和刀具内部拉应力集中区域；(2)刀具刃角前方下部原子流入刀具下方并引起刀具下方压应力集中，进而开启fcc结构中正八面体滑移系中对应的滑移系，并形成被压应力包裹的~90o拉应力区域；(3)刀具附近其余原子被挤压至刀具两侧形成隆起。但在Ni3Al合金的纳米切削过程中，拉/压应力值都在几十GPa级别，这主要有三方面原因：尺寸效应[93]、Ni3Al合金

纳米切削过程中声发射响应的分子动力学研究30高硬度和严重的加工硬化以及工件材料无预制缺陷。在L12结构的变形过程中，1/2<110>不全位错滑过后会改变原始原子排序并形成反向筹界，而反向筹界通常形成于正八面体{111}密排面上，并且随着1/2<110>拖曳位错的滑过而使原子排列与原始排列一致，使反向筹界消失，如图3.4所示。而由于{001}面反向筹界能(104mJ/m2)低于{111}面反向筹界能(175mJ/m2)[94]，{111}面上反向筹界在热激活作用下会交滑移至{001}面而处于低能状态，并使其位错中的螺型部分钉扎于{001}面形成Kear-Wilsdorf锁，进而提高了Ni3Al合金屈服强度并加剧了加工硬化，并且热激活作用下会增加Kear-Wilsdorf锁的形成；而高于(600~700)℃临界温度时，钉扎结构被热作用破坏从而使屈服应力下降。此外，在{111}面上的[101]位错也会分解为不同类型的不全位错，伴随更多类型的层错出现。图3.4超位错分解过程中APB形成机理图3.5Ni3Al合金亚表面缺陷(a)加工温度为293K;(b)加工温度为1K（红色原子为密排六方hcp类型原子，蓝色原子为体心立方bcc类型原子，白色原子为无定形原子)


本文编号：3391737