基于正电子谱学分析的高速切削表面白层形成机理研究

The white layer is formed by thermo-mechanical combined action at top of metamorphic layer in high speed cutting process, which is important factor influencing performance of workpiece and surface integrity. Now, the formation mechanism of white layer and influencing factors is far from clear.The function relationship of the white layer thickness expressed by cutting parameters and material property parameters is established by the balancing mechanism between thermal softening and plastic work according to thermal deformation characteristics of metamorphic layer in orthogonal high speed cutting process, and positron capture physical model is established by positron annihilation lifetime analysis. The influence rules of cutting parameters and material performance parameters on surface layer defect type, defect size, distribution and evolution features is revealed from the perspective of atomic scale and electronic structure. The outline equation distributing along depth of the white layer and calculation model of positron annihilation lifetime are established to study the influence rules of cutting parameters on defect evolution and correct the imperfections without studying formation mechanism from the perspective of atomic scale and electronic structure at present.Base on positron annihilation lifetime analysis, a new method to study the formation mechanism of white layer is proposed.The research results can help us to improve surface integrity and service properties of workpiece, optimize process parameters and select proper processing materials.

在高速切削过程中，工件变质层最上方将承受强烈的热力耦合综合作用，形成白层，白层有较高的脆性易形成裂纹，是影响工件性能和表面完整性的重要因素，但对白层的形成机理及影响因素还远未认识清楚。本项目针对正交高速切削工件表层的热变形特性，根据塑性功和热软化的平衡机制建立由切削参数和材料固有属性表征的白层厚度的函数关系，并研究白层微观特性，结合正电子湮没分析，建立白层正电子的捕获态物理模型，从原子尺度和电子结构角度揭示切削参数和材料性能参数对白层缺陷类型、尺度、分布和演化特性的影响规律，建立正电子沿白层深度方向分布的轮廓方程及湮没寿命理论计算模型，研究切削条件对缺陷演化的影响规律，弥补现有研究未能从原子和电子结构角度研究白层形成机理的不足，提出一种基于正电子湮没分析的研究白层形成机理的新方法。研究结果可为改善加工表面完整性、提高工件服役性能、优化切削参数以及选择适合的工件材料提供依据。

在高速切削过程中，工件变质层最上方将承受强烈的热力耦合综合作用，形成白层，白层有较高的脆性易形成裂纹，是影响工件性能和表面完整性的重要因素，但对白层的形成机理及影响因素还远未认识清楚。本项目根据切削过程由于绝热剪切形成的锯齿形切屑的变形特点，计算了产生白层的临界条件，在一定的简化条件下，建立了白层厚度的函数表达式，该表达式综合反映了材料性能参数、切削参数和刀具参数对白层厚度的影响，结果表明，影响白层厚度的主要因素为切削速度、密度和比热及刀具前角。通过对合金钢和钛合金材料切削过程白层厚度的检测，验证了该表达式的正确性。研究了切削参数和切削表面变质层对切削振动、切削力、表面粗糙度和疲劳性能的影响规律。以GCr15钢为研究对象，根据正电子湮没试验结果，通过寿命谱分析可知GCr15钢白层内原子尺度缺陷类型主要为点阵、单空位和空位团簇，较多的空位簇会使材料产生脆性，对白层性能产生负面影响，可能导致其脱落，通过寿命谱还可分析白层塑性变形、位错、相变等不同尺度的缺陷，研究表明，这些缺陷与切削参数有关，适当选择切削参数可以限制空缺簇的数量。正电子发射深度与发射能量和材料密度有关，通过能量方程，结合由正电子捕获态模型计算的S、W参数，可知白层不同深度的缺陷浓度和分布规律。对于钛合金，切削变质层内原子尺度的缺陷主要是四空位复合体及高密度位错，在深度250μm时缺陷最多，对缺陷影响最大的是切削速度和进给量，切削深度影响很小。实验证明，正电子谱学弥补了现有研究未能从原子和电子结构角度研究白层形成机理的不足，提出一种基于正电子湮没分析的研究白层形成机理的新方法。研究结果可为改善加工表面完整性、提高工件服役性能、优化切削参数以及选择适合的工件材料提供依据。