切削SiCp/Al复合材料脆韧转变机理及断裂动力学预测研究

The phenomenon of brittle-to-ductile transition in cutting process of SiCp/Al composites can lead to the evolution of chip morphology ,which directly affects the machinability of composites . However, the existing theory cannot scientifically reveal the brittle-to-ductile transition mechanism. This project aims at researching the brittle-to-ductile transition mechanism of SiCp/Al composites, combining the cutting experiment, the tool-chip quick separating experiment, the microscopic observation and analysis, the theoretical modeling, the numerical calculation methods and the basic theories of cutting, fracture mechanics and fracture dynamics , the mechanism of chip formation and chip breaking mechanism of SiCp/Al composites were analyzed and studied.The physical models of chip formation and the microscopic models of chip fracture were established to reveal the brittle-to-ductile transition mechanism of SiCp/Al composites.The mechanical mechanism of the brittle-to-ductile transition of the composites under the particle-thermal coupling is revealed by the micromechanical analysis and the dynamic mechanical properties test. The particle-thermal coupling dynamic constitutive considering particle damage is proposed by coupling analyzing of particles and temperature.Based on the theory of fracture dynamics, the brittle-ductile transition critical criterion is proposed to form the prediction method of brittle-ductile transition.

切削SiCp/Al复合材料过程中的脆韧转变现象会导致切屑形态演变，直接影响复合材料的切削加工性，目前还没有成熟的切削理论能够科学地揭示SiCp/Al复合材料脆韧转变规律。本项目针对切削SiCp/Al复合材料过程中的脆韧转变现象，采用切削实验、快速落刀实验、微观观察与分析、理论建模及数值计算相结合的方法，并运用切削理论、断裂力学和断裂动力学基本理论，分析和研究SiCp/Al复合材料切屑形成机制和切屑断裂机制，建立切屑形成物理模型和切屑断裂微观模型，揭示SiCp/Al复合材料切削去除脆韧转变的物理本质；通过细观力学分析及动态力学性能试验，揭示颗粒-热耦合作用下材料脆韧转变的力学机制；通过颗粒与温度的耦合分析，建立考虑颗粒损伤的颗粒-热耦合动态本构关系；基于断裂动力学，提出脆韧转变临界判据，实现SiCp/Al复合材料脆韧转变临界切削条件的预测。

SiCp/Al复合材料切削过程中脆韧转变的研究有助于对复合材料去除机理的进一步认识，而材料去除脆韧性的转变必然会对材料切削加工性产生影响。实现基于断裂动力学的脆韧转变临界切削条件预测不仅能够揭示SiCp/Al复合材料去除过程中脆韧转变的发生规律，而且可以为复合材料切削加工生产实践中合理地选择加工参数、改善工件表面质量、优化复合材料切削过程提供理论依据。项目主要完成以下研究：.一、揭示了SiCp/Al复合材料的切屑形成机理，并发现SiCp/Al复合材料切削过程中发生了三种剪切区变形模式，分别是塑性变形、不完全脆性断裂和完全脆性断裂；分别建立了塑性变形模式下、不完全脆性断裂模式下和完全脆性断裂模式下的切屑形成物理模型。.二、对不同颗粒含量和尺寸的SiCp/Al复合材料进行了动态压缩实验，研究了颗粒损伤和热软化对SiCp/Al复合材料动态力学性能的影响。基于Eshelby等效夹杂理论、基体材料的塑性动态本构关系和热软化影响，建立了SiCp/Al复合材料颗粒-热耦合动态本构模型，精确预测了SiCp/Al复合材料的动态力学性能。.三、通过分析SiCp/Al复合材料的切屑形成过程，并结合考虑颗粒损伤影响的SiCp/Al复合材料动态本构模型，分别建立了考虑颗粒影响的切削力模型和切削温度模型，并将切削力模型和切削温度模型结合，提出了SiCp/Al复合材料切削力和切削温度的耦合预测方法，预测了加工SiCp/Al复合材料时的切削力和切削温度，并将获得的预测值与实验值进行了对比，发现所提出的模型考虑颗粒影响后可更精准地实现切削力和温度的预测。.四、根据Eshelby等效夹杂理论和Weibull统计分布获得了剪切区的颗粒损伤几率，根据刀具与颗粒的接触分析获得了切削刃区域的颗粒损伤几率，并将两种颗粒损伤几率相加获得了SiCp/Al复合材料切削的剪切区颗粒损伤度。通过对切屑根部及切屑纵截面的颗粒损伤状态进行分析，验证了颗粒损伤度的有效性。研究了SiCp/Al复合材料剪切区颗粒损伤对切削力、切削温度和已加工表面粗糙度的影响，并为SiCp/Al复合材料切削参数优化提供了一定指导。