切削过程材料变形在高应变率下粘性行为的机理研究

Elasticity, plasticity and viscosity are three properties in the material deformation process. The plasticity or the combination of the plasticity and elasticity can be only considered in deformation process under low strain rate conditions, but the viscosity of material must take into account in studying plastic deformation under high strain rate conditions when the plastic deformation mechanism changed from thermal activation to dislocation damping. Cutting process is a big plastic deformation process with high strain rates; it is unsuitable to study this process only from elastic-plastic aspects. The characteristics of the viscosity which describe the viscous behavior of deformation process can’t be reflected for only by using the description of strain rate related, more accurate description is needed. And it is found in our early study that there still need more experiments and confirmations for the using of one constitutive model on different material in different deformation states. So different crystal lattice material, 45 steel, aluminum alloy 7050 and titanium alloy TC4, were selected, the viscous form, the viscous constitutive parameter, the viscous mechanism and the viscous effect on high speed metal cutting process will be studied based on the dislocation motion analysis. By this study, the correct mechanism of plastic deformation under high strain rate conditions would be obtained, the new method and concept would be proposed to study high speed metal cutting process.

弹性、塑性和粘性是材料变形时的三种性质。低应变率情况下的变形只需考虑塑性或是弹、塑性的组合即可，高应变率下变形控制机制将由热激活转变成位错阻尼，变形过程需考虑材料粘性行为的影响，切削过程是高应变率下的大塑性变形过程，但目前对这一过程的研究多集中在弹塑性变形或是仅用与应变率相关来简单描述材料的粘性行为，不能反映粘性的具体表现特征，且前期研究发现不同的材料，不同的变形阶段能否统一用相同的率相关本构进行描述需进一步的实验和证实，因此本项目拟以不同晶格材料45号钢、7050铝合金和TC4钛合金的切削加工为研究对象，以位错运动分析为基础，研究高应变率下材料变形的粘性表现形式；获取合适的粘性本构参数；研究材料粘性表现的微观机理并分析粘性对高速切削的影响规律。通过本项目的研究能获得对高应变率下塑性变形的正确认识，并可为高速切削的研究提供新的思路和方法。

弹性、塑性和黏性是材料变形时的三种性质，高应变率下的变形过程需考虑材料黏性行为的影响，因此本项目针对不同应变率下的三种材料的动态变形进行了研究，进行了45钢（BCC晶格）、TC4钛合金(HCP晶格)和7075铝(FCC晶格)三种材料的动态力学性能测试，拟合了各自的黏性本构参数，确定了TC4和7075铝塑性变形控制机理发生转变时的临界应变率；完成了7075铝和45钢2种材料的切削实验并对切屑进行了制样与分析，分析切削过程材料变形的黏性行为；进行了3种材料的切削过程有限元建模与分析，以验证材料在高应变率塑性变形的黏性行为。研究结果表明：三种材料都存在明显的应变率效应；7075铝、TC4在超过某一特定应变率后其塑性变形控制机制会由热激活机制转变为位错阻尼机制，7075铝的临界应变率在10000-13000之间，而TC4的临界应变率在4000-6000之间；这意味着仅用一种形式的材料本构不能准确描述材料在宽应变率范围下的动态力学行为，在塑性变形过程中热激活机制占优时，可以用应变率的指数函数项描述材料力学特性，而在位错阻尼机制占优时用应变率的线性函数项描述流动应力的规律反而更合适，这也是本项目组要对软件进行二次开发的原因之一，同时钛合金TC4加工硬化率会随应变率增大而减小，说明钛合金适宜高速加工；切削过程中，切屑断裂形态会随切削速度（应变率）的增加发生转变，这是应变率效应的结果，应变率的增加使材料的屈服应力增长比断裂应力增长快，随应变率的增加，材料还没达到屈服阶段就发生了断裂，这对断屑困难塑性材料的加工提供了思路。