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Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).
引用: Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).

进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变


doi: 10.1088/2631-7990/abdfd7
详细信息
  • 刊出日期: 2021-01-29
  • 综述 ● 开放获取阅读更多

    1.文章导读

    根据切屑形貌、加工表面质量以及亚表面损伤状态,可将材料的去除模式分为脆性去除和塑性去除。当加工条件发生改变时材料的脆塑性去除模式将随之发生转变。脆塑转变广泛的存在于涉及到极小变形尺度的制造、激光辅助加工以及高速加工等极端制造工艺。全面的理解脆塑转变机制,合理的利用材料的脆塑转变对提高加工表面的完整性、加工效率以及延长产品寿命具有重要意义。近期,华侨大学与伍伦贡大学联合培养博士生张涛,华侨大学制造工程研究院、脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心姜峰教授、黄辉教授、陆静教授、吴跃勤教授、徐西鹏教授,和伍伦贡大学机械,材料,机电和生物医学工程学院姜正义教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变》的综述。如图1所示,文章系统的综述了极端制造工艺中温度升高和变形尺度减小所诱导的脆-塑转变,以及晶粒尺寸减小和应变率提高所诱导的塑-脆性转变,总结了脆塑转变的实质,并分析了如何借助加工过程的脆塑转变进一步提高材料的可加工性和加工质量。

    图1 极端制造过程的脆塑转变

    2.最新进展

    本文首先介绍了极端制造过程中的脆塑转变现象,主要涉及单点金刚石车削以及超精密磨削等具有极小变形尺度的制造工艺、激光辅助加工和高速加工。然后对极端制造过程中脆塑转变的机制进行了综述,主要包含变形尺度减小诱导的脆-塑转变、变形温度升高导致的脆-塑转变、晶粒细化诱导的塑-脆转变以及变应变率升高诱导的塑-脆转变。

    变形尺度减小诱导脆-塑转变机制:一些离子键、共价键材料由于键能较高,导致塑性变形较为困难,这些材料在常规变形尺度通常表现出明显的脆性失效特征。当变形尺度减小,变形区域包含缺陷的概率减低,位错激活将早于裂纹扩展,从而使得这一类材料在极小变形尺度时表现出明显的塑性行为。同时,随着变形尺度的减小,应力强度因子将会小于断裂韧性从而诱导脆-塑转变的发生。

    变形温度升高诱导脆-塑转变机制:在常温条件下表现出脆性断裂失效的共价键、离子键材料,当变形温度升高时将会表现出明显的塑性行为。变形温度升高诱导的脆-塑转与材料的热激活有关。温度升高加剧了固体材料内部原子的振动, 变形区域原子克服能量壁垒发生相对滑移将会变得更加容易。随着应力的增加,塑性变形将会先于脆性断裂发生,从而诱导脆-塑转变的发生。

    晶粒尺寸减小诱导塑-脆转变:白层是加工过程中常见的现象,尤其对于高速加工而言。白层区域的材料具有明显的晶粒细化现象,但晶粒尺寸通常大于100 nm。一般而言,随着晶粒细化程度的增加,材料的屈服强度升高,但失效应变减小,也即随着晶粒的细化程度的增加,材料发生了脆化。晶粒细化是高速加工过程中塑-脆转变的一个重要原因。

    应变率升高诱导塑-脆转变:应力波理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了一种解释。由于卸载波的作用,材料在承受冲击载荷时将表现出明显的变形局部化现象。当冲击速度高于塑性波速时,塑性材料将发生伪脆现象。这种卸载波通常有两种形式,第一种是冲击载荷卸载诱导的弹性波,另一种为反射弹性波。

    图2 卸载波对变形分布的影响(a)反射波诱导的卸载波 (b)冲击载荷卸载诱导的卸载波

    位错移动理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了另外一种理论解释。位错移动理论指出随着加载速度的增加,位错相对于载荷的速度将会趋向于零。当加载速度足够高时,位错在塑性材料内部将不能移动,也即发生了塑-脆转变。应变率升高诱导的塑-脆转变是高速加工过程发生塑-脆转变的另一个重要原因。

    本文指出脆塑转变的实质是塑性变形与裂纹扩展相互竞争的结果,这种关系可用图3所示的衔尾蛇图案表示。该图案灵感源于中国于1989年发行的第一轮生肖邮票之“蛇”,寓意着脆性和塑性都体现了材料的本征属性,你中有我,我中有你,可以在一定条件下互相转化。通过改变外部变形环境可以使被加工材料的塑性或脆性发生改变,使之与具体加工过程相匹配,实现具有特定目的的加工。对于脆性较大的材料而言,可通过减小变形尺度、提高变形温度实现无损伤加工。对于塑性较大的材料而言,通过提高加工速度,可减小加工区域材料的变形程度,进而降低变形力和加工温度,提高加工表面质量等。

    图3 脆性与塑性之间的相互转化

    3.未来展望

    加工过程材料的脆塑性转变通常受多因素共同影响,且各因素之间存在耦合作用。然而大多数研究通常只关注单因素的影响,使得现有研究不能与实际制造过程建立起有效的联系。因此更多的研究应该关注于多因素耦合作用下材料的脆塑性转变机制。随着高速加工、多能场辅助加工等先进制造技术的涌现,加工过程材料的脆塑转变相关研究面临更多的挑战。传统的准静态、微纳尺度的试验技术不能够提供与实际加工过程相匹配的试验条件,迫切需要开发与之适用的试验技术。需要特别指出,磁场、化学场等能场作用下材料的脆塑转变应该得到更多的重视以促进能场辅助加工技术的发展。

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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图(1)

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进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变

doi: 10.1088/2631-7990/abdfd7
    作者简介:

    姜峰,华侨大学制造工程研究院教授,博士生导师。于2009年在山东大学获工学博士学位。2007年-2008年作为联合培养博士赴美国伍斯特理工学院材料加工中心学习一年。2010年-2012年在清华大学精密仪器与机械学系从事博士后科研工作。主要研究方向为精密超精密加工工艺及材料去除机理、切削过程数值仿真技术以及刀具设计技术。主要学术兼职包括《现代制造工程》杂志编委、厦门钨业股份有限公司技术顾问、厦门金鹭特种合金有限公司技术顾问。主持国家自然科学基金面上项目1项,国家自然科学基金青年基金1项、博士后科学基金特别资助项目1项,博士后科学基金面上项目1项,福建省产学合作项目2项,作为核心成员参与重大专项04专项项目1项。获得山东省科技进步二等奖1项(第5位/共10位),以第一作者或通讯作者发表论文50余篇,其中SCI收录30篇,出版学术著作1部,授权发明专利65项。

    黄辉,教授,现为华侨大学机电及自动化学院院长、华侨大学制造工程研究院副院长。于2002年获南京航空航天大学博士学位,2012年获国家留学基金委资助在澳大利亚昆士兰大学进行为期半年的访学。任Member of International Committee for Abrasive Technology (ICAT)(国际磨粒技术委员会委员),中国机械工程学会高级会员、福建省机械工程学会秘书长、全国光整加工专业委员会委员,《金刚石与磨料磨具工程》、《超硬材料工程》杂志编委。长期从事脆性材料加工及超硬材料工具的教学与研究。获国家科学技术进步二等奖(第2获奖人)1项,省部级科研一等奖3项。主持了包括3项国家自然科学基金在内的各类科研项目10余项,发表学术论文100余篇,其中被SCI、EI检索40余篇。

    姜正义、现任澳大利亚新南威尔士州伍伦贡大学机械、材料、机电和生物医学工程学院杰出教授、澳大利亚澳华科学技术协会主席。分别于1987年,1990年和1996年在中国东北大学获得学士学位、硕士学位和博士学位。首次在澳大利亚卧龙岗大学开展了先进的微纳观制造和成形技术研究,建立了微纳观先进制造技术研究中心。他在先进金属制造领域发表文章580余篇,其中包括420多篇期刊论文,130多篇会议论文和3部专著。他目前领导伍伦贡大学一个高度活跃的研究团队,其研究领域包括轧制力学、先进微制造、计算力学和金属制造中的多尺度建模。作为项目负责人,他在管理大型研究项目方面也有丰富的经验。在1996年至1998年曾任中国轧制技术与自动化国家重点实验室常务副主任,通过在澳大利亚、日本和中国的工作积累了丰富的跨学科经验。

    徐西鹏,教授,现为华侨大学党委书记、华侨大学制造工程研究院院长、脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心主任、脆性材料加工教育部工程技术研究中心主任。以第一获奖人获“国家科技进步二等奖”1项、教育部“自然科学奖”和“科技进步奖”一等奖各1项、福建省“科学技术奖”和“技术发明奖”一等奖各1项。担任国际磨料技术委员会(ICAT)主席,CMES-PEI-全国磨料技术委员会主任,福建省机械工程学会理事长。Intl J. Abrasive Tech.国际刊物Associate Editor,《机械工程学报》英文版和《金刚石与磨料磨具工程》编委会副主任。

摘要: 

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

根据切屑形貌、加工表面质量以及亚表面损伤状态,可将材料的去除模式分为脆性去除和塑性去除。当加工条件发生改变时材料的脆塑性去除模式将随之发生转变。脆塑转变广泛的存在于涉及到极小变形尺度的制造、激光辅助加工以及高速加工等极端制造工艺。全面的理解脆塑转变机制,合理的利用材料的脆塑转变对提高加工表面的完整性、加工效率以及延长产品寿命具有重要意义。近期,华侨大学与伍伦贡大学联合培养博士生张涛,华侨大学制造工程研究院、脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心姜峰教授、黄辉教授、陆静教授、吴跃勤教授、徐西鹏教授,和伍伦贡大学机械,材料,机电和生物医学工程学院姜正义教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变》的综述。如图1所示,文章系统的综述了极端制造工艺中温度升高和变形尺度减小所诱导的脆-塑转变,以及晶粒尺寸减小和应变率提高所诱导的塑-脆性转变,总结了脆塑转变的实质,并分析了如何借助加工过程的脆塑转变进一步提高材料的可加工性和加工质量。

图1 极端制造过程的脆塑转变

2.最新进展

本文首先介绍了极端制造过程中的脆塑转变现象,主要涉及单点金刚石车削以及超精密磨削等具有极小变形尺度的制造工艺、激光辅助加工和高速加工。然后对极端制造过程中脆塑转变的机制进行了综述,主要包含变形尺度减小诱导的脆-塑转变、变形温度升高导致的脆-塑转变、晶粒细化诱导的塑-脆转变以及变应变率升高诱导的塑-脆转变。

变形尺度减小诱导脆-塑转变机制:一些离子键、共价键材料由于键能较高,导致塑性变形较为困难,这些材料在常规变形尺度通常表现出明显的脆性失效特征。当变形尺度减小,变形区域包含缺陷的概率减低,位错激活将早于裂纹扩展,从而使得这一类材料在极小变形尺度时表现出明显的塑性行为。同时,随着变形尺度的减小,应力强度因子将会小于断裂韧性从而诱导脆-塑转变的发生。

变形温度升高诱导脆-塑转变机制:在常温条件下表现出脆性断裂失效的共价键、离子键材料,当变形温度升高时将会表现出明显的塑性行为。变形温度升高诱导的脆-塑转与材料的热激活有关。温度升高加剧了固体材料内部原子的振动, 变形区域原子克服能量壁垒发生相对滑移将会变得更加容易。随着应力的增加,塑性变形将会先于脆性断裂发生,从而诱导脆-塑转变的发生。

晶粒尺寸减小诱导塑-脆转变:白层是加工过程中常见的现象,尤其对于高速加工而言。白层区域的材料具有明显的晶粒细化现象,但晶粒尺寸通常大于100 nm。一般而言,随着晶粒细化程度的增加,材料的屈服强度升高,但失效应变减小,也即随着晶粒的细化程度的增加,材料发生了脆化。晶粒细化是高速加工过程中塑-脆转变的一个重要原因。

应变率升高诱导塑-脆转变:应力波理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了一种解释。由于卸载波的作用,材料在承受冲击载荷时将表现出明显的变形局部化现象。当冲击速度高于塑性波速时,塑性材料将发生伪脆现象。这种卸载波通常有两种形式,第一种是冲击载荷卸载诱导的弹性波,另一种为反射弹性波。

图2 卸载波对变形分布的影响(a)反射波诱导的卸载波 (b)冲击载荷卸载诱导的卸载波

位错移动理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了另外一种理论解释。位错移动理论指出随着加载速度的增加,位错相对于载荷的速度将会趋向于零。当加载速度足够高时,位错在塑性材料内部将不能移动,也即发生了塑-脆转变。应变率升高诱导的塑-脆转变是高速加工过程发生塑-脆转变的另一个重要原因。

本文指出脆塑转变的实质是塑性变形与裂纹扩展相互竞争的结果,这种关系可用图3所示的衔尾蛇图案表示。该图案灵感源于中国于1989年发行的第一轮生肖邮票之“蛇”,寓意着脆性和塑性都体现了材料的本征属性,你中有我,我中有你,可以在一定条件下互相转化。通过改变外部变形环境可以使被加工材料的塑性或脆性发生改变,使之与具体加工过程相匹配,实现具有特定目的的加工。对于脆性较大的材料而言,可通过减小变形尺度、提高变形温度实现无损伤加工。对于塑性较大的材料而言,通过提高加工速度,可减小加工区域材料的变形程度,进而降低变形力和加工温度,提高加工表面质量等。

图3 脆性与塑性之间的相互转化

3.未来展望

加工过程材料的脆塑性转变通常受多因素共同影响,且各因素之间存在耦合作用。然而大多数研究通常只关注单因素的影响,使得现有研究不能与实际制造过程建立起有效的联系。因此更多的研究应该关注于多因素耦合作用下材料的脆塑性转变机制。随着高速加工、多能场辅助加工等先进制造技术的涌现,加工过程材料的脆塑转变相关研究面临更多的挑战。传统的准静态、微纳尺度的试验技术不能够提供与实际加工过程相匹配的试验条件,迫切需要开发与之适用的试验技术。需要特别指出,磁场、化学场等能场作用下材料的脆塑转变应该得到更多的重视以促进能场辅助加工技术的发展。

English Abstract

Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).
引用本文: Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).
Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).
Citation: Zhang T, Jiang F, Huang H, Lu J, Wu Y Q et al. Towards understanding the brittle-ductile transition in the extreme manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 022001(2021).

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