金刚石切削Al/SiCp复合材料中几何异质性诱导的损伤行为

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Geometric heterogeneity-induced damage behaviors in diamond cutting of Al/SiCp composites

　　

# 摘要

Al/SiCp复合材料的几何异质性（包括颗粒形貌和空间分布）使刀具-颗粒-基体相互作用及表面损伤状态变得复杂，使得低损伤金刚石切削极具挑战性。因此，深入理解几何异质性诱导的损伤行为对于实现Al/SiCp复合材料的超精密加工至关重要。本研究通过 plunge-cut 实验和有限元（FE）模拟，系统地探讨了机械异质性和几何异质性的联合效应。实验结果表明，由于软基体支撑的丧失，SiC-Al界面处不可避免地发生边缘坍塌，其严重程度受颗粒间距、界面形貌角（即本研究讨论的几何异质性）以及刀具前角显著影响。因此，为了重构延脆转变和界面损伤的演化过程，提出了一种纳入几何异质性的新型有限元模型，并通过定性定量比较（包括第二临界转变深度dc2和切削力）进行了充分验证。模拟结果表明，较窄的颗粒间距、钝角界面形貌角和负前角导致拉伸应力向刀具前刀面方向集中。这种应力重新分布促进了水平裂纹扩展，从而延缓了过早的脆性破坏并减轻了界面损伤。例如，当颗粒间距从1.5减小到0.5 μm时，作为脆性去除定量指标的第二临界转变深度dc2从188.50 nm增加到196.75 nm。最终，建立了一种力学分析模型，直观地解释了异质性诱导界面损伤的应力驱动机制，为Al/SiCp复合材料的超精密加工提供了理论指导。

# 引言

Al/SiCp复合材料由铝合金基体增强碳化硅颗粒组成，具有高的比强度、优异的耐磨性和卓越的抗蠕变性，使其在航空航天和精密仪器领域得到广泛应用[[1]、[2]、[3]]。对于这些苛刻的应用，必须实现纳米级表面粗糙度并严格控制表面损伤层，因为这些因素直接决定了组件的使用性能和结构稳定性[4,5]。单点金刚石切削被广泛认为是高效且经济的方法，只要在硬脆材料上满足延性域加工条件，即可生产出超光滑表面[[6]、[7]、[8]]。然而，Al/SiCp复合材料的金刚石切削面临重大挑战。除SiC颗粒固有的脆性[9,10]外，软的Al基体与硬的SiC颗粒之间有限的协同变形导致剪切区异质损伤和早期界面脱粘[11]，这极大阻碍了实现高质量无损伤表面。

在单质脆性材料的金刚石切削过程中，材料去除机制从根本上决定了表面和亚表面损伤的产生[12,13]。例如，Goel等人[8]表明，6H-SiC的延性域加工需要结构相变，从而通过减少脆性损伤来提高表面质量。Lee等人[14]报道，随着切削深度（DOC）的增加，Si(100)从延性变形到脆性断裂（DBT）的顺序转变标志着严重结构损伤的开始。最近，越来越多地关注各种因素对单质脆性材料损伤主导的去除行为的影响。Liu等人[15]首次使用纳米划痕技术研究了温度对软脆性晶体材料去除机制的影响。Goel等人[16]综述了SiC的延性域加工，表明单晶6H-SiC的DBT深度仅70 nm，而3C-SiC为550 nm。相比之下，单晶4H-SiC显示出显著更大的DBT深度，高达820 nm，表明其具有更强的抗脆性损伤能力。Lai等人[17]对单晶锗进行了切削实验，研究了晶向对DBT和亚表面损伤的影响。Wang等人[18]对55 vol% SiCp/Al复合材料进行了单点金刚石车削实验研究，考察了转速和进给速度对表面粗糙度的影响。Zhang等人[19]开发了一种新型理论模型，纳入了材料属性、刀具几何形状和切削参数，研究了刀具前角对KDP晶体金刚石车削的影响。此外，辅助加工技术已被用于增加DBT深度，从而通过延性域切削硬脆材料减少脆性损伤[20,21]。Zhao等人[22]对椭圆振动辅助金刚石切削3C-SiC进行了分子动力学（MD）模拟，发现刀具的超声振动有效降低了加工力并抑制了裂纹。Zhang等人[23]使用分子动力学模拟研究了高温下反应烧结SiC在纳米切削过程中的材料去除机制。他们发现了高温下SiC中显著的硬度梯度软引导效应，这有助于减少脆性断裂并实现更高质量的表面。Liu等人[24,25]和Wei等人[26]提出了一种新颖的化学增强金刚石车削方法，用于Si面SiC单晶。这种化学辅助方法在SiC上产生了一层含有Si-C和Si-O键的非晶SiOC层，同时提高了去除效率并最小化了表面损伤。

与单质脆性材料相比，Al/SiCp复合材料的加工力学要复杂得多。这种复杂性不仅源于增强颗粒的固有脆性，还源于复合材料的固有异质性，这直接导致了复杂的损伤行为。关于增强颗粒的脆性，Hung等人[27]观察到，当DOC低于0.2 μm时，SiC颗粒发生延性去除；然而，随机的晶体取向导致延性去除和脆性损伤在加工表面共存。通过控制金属基复合材料铣削过程中的未变形切屑厚度（UCT），Han等人[28]确定了两种不同的切削模式：半脆性和延性。关于Al/SiCp复合材料的固有异质性，这些材料的动态压缩测试揭示了由内在力学差异引起的两种主要变形模式：颗粒断裂和界面脱粘[29,30]。这两种模式被统称为异质性诱导损伤（异质损伤）[10]。异质损伤导致微观结构重构并降低了增强体的承载能力，严重削弱了其增强效果[31]。由于切削过程本质上是具有动态压缩和剪切组合的力学加载场景[32]，因此在对Al/SiCp复合材料进行加工时不可避免地会产生异质损伤，导致大量表面缺陷[10,33]。由于切削参数优化在减少加工缺陷方面的局限性，许多研究转向高级辅助加工技术以改变局部应力状态并防止损伤。例如，激光辅助加工已被广泛研究，具有降低切削力、减少刀具磨损和改善加工质量等优点[34,35]。Lin等人[36]发现，脉冲激光辅助车削显著降低了Al/SiCp复合材料的表面粗糙度和损伤。Zhang等人[37]对激光辅助加工后的Al/SiCp复合材料进行了EBSD分析，认为激光预热促进了Al基体的塑性变形，同时抑制了近表层晶粒细化。Peng等人[38]证明，适当的振幅结合激光设置有效减少了材料的表面和亚表面损伤。Cui等人[39]开发了一种新的Al/SiCp复合材料分子动力学模拟模型，纳入了激光预热历史，表明Al基体的晶粒生长是通过无序化和再结晶实现的。类似地，超声振动辅助切削通过高频刀具冲击增强刀具-工件摩擦，并通过断续切削降低平均切削力[40,41]。Zhang等人[42]对含有35% SiC的Al/SiCp复合材料进行了超声椭圆振动辅助超精密车削实验，发现超声椭圆振动大大提高了表面质量。超声振动复合能量场加工减少了热损伤，改善了表面完整性，并提高了SiC颗粒的可加工性[43,44]。Fu等人[45]采用微纳米尺度模拟研究了脉冲激光超声振动辅助切削（PLUVAC）中的温度分布和晶粒变形，揭示PLUVAC通过促进动态回复来减少加工硬化和界面损伤。Cheng等人[46]开发了激光辅助超声椭圆振动车削的有限元模型，表明超声振动的瞬态冲击使SiC颗粒断裂，随后被软化的Al基体覆盖，显著改善了表面质量。尽管这些研究试图利用能量场辅助加工方法来改善Al/SiCp复合材料的加工质量，但在纳米级切削深度的金刚石切削中，异质性诱导损伤行为的基本力学仍未被完全理解。这一研究空白严重阻碍了Al/SiCp复合材料超精密、低损伤加工的持续发展。

探索异质损伤的动态演化存在重大实验挑战，特别是在捕捉切削过程中微尺度应力-应变分布方面[47,48]。因此，中观有限元（FE）模拟作为一种强大且广泛使用的工具，已被采用以提供对Al/SiCp复合材料加工的深入见解[49,50]。Lu等人[6]通过多步切削的有限元模拟证明，小DOC结合多个切削步骤改善了Al/SiCp复合材料的加工表面质量。Li等人[51]开发了一种考虑三维随机多面体颗粒的FEM-MD模型，分析了Al/SiCp复合材料的去除机制和损伤进展。此外，Zhou等人[52]建立了超声椭圆振动辅助切削Al/SiCp复合材料的有限元模型，结合划痕试验阐明了切削参数如何影响表面质量。Kang等人[53]利用用户编写子程序开发了二维和三维有限元切削模型，并考察了纳秒脉冲激光引起的热软化对Al/SiCp复合材料切削过程中变形机制的影响。在材料科学中，异质性通常指延性Al基体和脆性SiC颗粒之间的力学性能差异[11]；然而，它并未涉及与颗粒形貌、尺寸和空间分布相关的几何异质性[54,55]。由于几何异质性是控制局部应力集中的固有微观结构特征[56]，许多研究人员已将其纳入有限元模型以研究Al/SiCp复合材料的切削损伤。Wu等人[57]使用归一化形状因子和聚集距离表征颗粒几何形状和分布，建立了基于微观结构的有限元模型。其有限元模拟表明，颗粒断裂主要发生在剪切区，由于高刀具刃口挤压应变所致，而沿剪切面的切屑分段是由颗粒聚集引起的[58]。Yu等人[59]通过调整颗粒中心之间的距离阈值来模拟聚集，表明其对切屑形成和表面质量具有显著影响。Sheng等人[56]将基于金相分析的颗粒尺寸、长宽比和空间聚集分布纳入有限元模拟。他们发现，形态分散度和聚集度的增加恶化了剪切区中的颗粒断裂和界面脱粘。尽管几何异质性在常规切削中已被广泛研究，在其中它主要主导剪切区的动态力学响应和宏观损伤[10,56]（图1(a, b)），但其在超精密金刚石切削中的作用根本不同。在超精密切削中，纳米级加工参数（刀具刃口半径和DOC）与微米级颗粒之间存在显著的尺度差异，如图1(c)所示。在此尺度下，切削过程涉及刀具与工件之间的循环相互作用：刀具从基体切入颗粒，穿过颗粒，然后退出回到基体中[[60]、[61]、[62]]，如图1(d, e)所示。因此，几何异质性不再仅控制局部剪切区的响应。相反，它在超精密金刚石切削中主导了刀具、基体、颗粒和界面之间的相互作用（图1(c-e)），直接决定了局部损伤的萌生和扩展[63]。然而，在对Al/SiCp复合材料金刚石切削的研究中，对于异质性诱导损伤行为的全面理解仍然缺乏，特别是从中观角度来看。

在我们对Al/SiCp复合材料金刚石切削的最新研究[60]中，我们研究了微观尺度下考虑负前角的异质性诱导DBT行为。尽管分子动力学（MD）模拟在理解原子尺度机制（如位错成核、相变[64]和裂纹扩展[65]）方面具有独特优势，但它们本质上局限于纳米级和单界面模型。因此，利用MD系统地研究几何异质性如何影响加工损伤仍然非常困难。

相比之下，介观有限元仿真为构建复杂多颗粒几何模型提供了可靠框架，使得揭示异质性诱导的损伤机理以及重建整个脆-延转变过程成为可能。本研究旨在通过金刚石 plunge cutting 实验和介观有限元仿真，揭示 Al/SiCp 复合材料受力学和几何异质性影响的损伤行为。第 2 节介绍了 plunge cutting 实验装置，并解释了影响加工表面损伤的主要几何异质性因素。同时，建立了考虑几何异质性（包括颗粒间距和界面形貌角）的 Al/SiCp 复合材料介观有限元 plunge cutting 模型。第 3 节通过不同刀具前角下的 plunge cutting 实验，探索了 Al/SiCp 复合材料的脆-延转变过程和表面损伤特征。基于实验结果，通过对损伤特征的定性分析和关键转变深度及切削力的定量比较，验证了所建立有限元模型的可靠性。随后，第 4 节基于介观应力分布和裂纹扩展，深入研究了受几何异质性影响的脆-延转变行为和界面损伤演化。最后，第 5 节引入了力学分析模型，清晰地阐明了由几何异质性和刀具前角引起的表面损伤的应力驱动机理。总体而言，本研究为推进 Al/SiCp 复合材料的高精度低损伤加工提供了重要见解。

**各章节概要**

**实验细节与模拟方法**

为理解 Al/SiCp 复合材料在金刚石切削过程中的异质性诱导损伤行为，同时进行了有限元仿真和实验研究。在 ABAQUS 中建立了二维 plunge cutting 仿真模型以模拟去除过程，并考虑了几何异质性。材料制备细节和实验装置见第 2.1 节。考虑几何异质性的有限元模型细节见第 2.2 节。

**实验结果与模拟验证**

为验证 Al/SiCp 复合材料 plunge cutting 过程中的介观有限元仿真，将模拟的损伤特征（第 3.1 节）、关键转变深度（第 3.2 节）和切削力（第 3.3 节）与实验结果进行了比较。

**模拟结果与讨论**

在第 4.1 节颗粒间距效应、4.2 节界面形貌角效应和 4.4 节刀具前角效应中，采用了控制变量策略：第 4.1 节颗粒间距效应和第 4.2 节界面形貌角效应分别隔离了颗粒间距和界面形貌的影响；第 4.4 节考察了刀具前角的影响，其中颗粒分布和尺寸保持不变。这些章节解释了 Al/SiCp 复合材料加工过程中的介观响应。

**力学分析模型**

在第 5 节中，建立了力学分析模型以探索异质性诱导损伤行为的应力驱动机理，为 Al/SiCp 复合材料在纳米级切削深度下的金刚石切削提供了坚实的理论指导。基于有限元仿真中的应力云图和裂纹发展，提出了力学分析模型以清晰解释异质性诱导的损伤行为，如图 17 所示。对于以宽……为特征的 SiC-Al 切削系统……

**结论**

本研究通过 plunge cutting 实验和介观有限元仿真，全面考察了 Al/SiCp 复合材料金刚石切削过程中由几何异质性引起的损伤行为。首先，实验和模拟结果均表明，去除过程包含三个明显不同的阶段：延性阶段、脆-延转变阶段和脆性阶段，每个阶段均具有其各自的划痕形貌特征。值得注意的是，在切削出阶段，SiC-Al 界面处不可避免地发生脆性边缘坍塌。

**CRediT 作者贡献声明**

Wei Sun：概念化、方法论、调查研究、初稿撰写、资金获取、审阅与编辑。Yaohui Wang：初稿撰写、概念化、方法论、软件、数据整理。Peiyao Sheng：软件、验证、调查研究。Shuo Zhang：监督、资金获取。Tianye Jin：监督。Kui Liu：调查研究。Jianchao Chen：调查研究。Mengdong Ma：软件。Bing Liu：监督、可视化。Junyun Chen：概念化。

**CRediT 作者贡献声明**

Wei Sun：审阅与编辑、初稿撰写、方法论、调查研究、资金获取、概念化。Yaohui Wang：初稿撰写、软件、方法论、数据整理、概念化。Peiyao Sheng：验证、软件、调查研究。Shuo Zhang：监督、资金获取。Tianye Jin：调查研究。Kui Liu：调查研究。Jianchao Chen：调查研究。Mengdong Ma：软件。Bing Liu：可视化、监督。Junyun Chen：资金获取。

Wei Sun | Yaohui Wang | Peiyao Sheng | Shuo Zhang | Tianye Jin | Kui Liu | Jianchao Chen | Mengdong Ma | Bing Liu | Junyun Chen

燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004，中国