SiCp/Al复合材料切削仿真与实验研究*

范依航 霍志倩 郝兆朋

(长春工业大学机电工程学院，吉林 长春 130000)

SiCp/Al颗粒增强复合材料是以铝或铝合金为基体且含有SiC颗粒为增强相的复合材料，由于其具有高比模量、高比强度、耐磨性好、耐高温和导热导电性能良好等优异性能，被广泛应用于工业领域[1]。但由于材料中存在硬度较高的SiC增强颗粒，很难对它们进行机械加工[2]。

相较于实验方法，有限元方法能准确得到切削实验中难以获取的数据，进而为实际加工提供理论指导[3]。Joshi S S等[4]分析了SiCp/Al复合材料的切屑形态，发现切屑自由表面有裂纹的出现，并沿剪切面向刀刃处扩展，产生锯齿形切屑，然而，裂纹扩展导致锯齿形切屑形成的内在机理尚未揭示；Quan Y M等[5]分析了在切削加工过程中颗粒在主剪切带和第二变形区的破碎现象，但对颗粒破碎机理研究较少；都金光等[6]分析了不同位置颗粒的断裂行为对加工表面缺陷的影响，并研究了切削后已加工表面的形貌。虽然国内外学者对SiCp/Al复合材料的可加工性进行了大量的研究，但大多采用常规的方法进行研究，研究内容一般局限于刀具磨损、表面质量和切屑形态，而对切屑形成机理的研究鲜有涉及。

本文结合切削实验与仿真，研究体积分数为45%的SiCp/Al颗粒增强复合材料切削变形过程中Mises应力值的大小、颗粒的断裂与破碎机理以及切屑表面裂纹的扩展情况。

1 实验过程

工件材料：颗粒体积分数含量为45%的SiCp/2024Al颗粒增强铝基复合材料。实验机床：HVC1160型三坐标轴数控铣床。实验刀具：整体式涂层硬质合金平头立铣刀，刀具的前角和后角分别为5°和10°，硬质合金刀柄直径为10 mm。

力学实验装置：在温度为20 ℃应变率为0.001 s-1的条件下进行准静态压缩实验。通过霍普金森压杆实验，得到Al2024在不同温度，不同应变速率下的本构关系。应变率为3 000～8 500 s-1，温度为120 ℃～420 ℃，实验系统如图1所示。

在切削速度(50 m/min, 70 m/min, 90 m/min)不同，进给量(0.02 mm/z)相同的条件下进行铣削试验获得切屑，镶嵌成标本，通过研磨、抛光，观察切屑形态和微观组织。

2 本构模型的建立

2.1 Al基体模型的建立

Al基体被视为可变形的且具有破坏准则的热弹塑性材料， Johnson-Coo(JC)本构模型能很好地描述其可塑性行为并能较好地探讨Mises应力分布，本构模型如下所示[7]：

(1)

其中m由霍普金森压杆实验得到，不同温度、不同应变速率下的应力-应变曲线如图3所示。

通过拟合应力-应变曲线，可计算得到Al基体JC模型材料参数值如表1所示。

表1 Al基体JC模型材料参数

利用JC本构方程定义了切削加工过程中Al基体材料的切屑分离准则，当损伤参数D为1时，材料开始失效，具体表达式[8]为：

(2)

(3)

式中：d1～d5为Al基体材料断裂准则失效参数；p为压应力；q为冯米塞斯应力；p/q为无量纲偏压应力比。材料失效[10]参数如表2所示。

表2 Al基体材料JC失效参数

2.2 SiC颗粒模型的建立

SiC是一种硬脆性材料，在实际复合材料切削过程中，容易发生脆性断裂现象，脆性断裂[11]准则描述了SiC颗粒脆性破坏和失效演化的过程。

采用GFI脆性裂纹生成模式，通过最大正应力准则判断SiC颗粒是否发生断裂，其公式如下：

max(σ1,σ2,σ3)=σ0

(4)

式中：σ0为抗拉强度。

在仿真中当SiC颗粒断裂后，颗粒的后续的裂纹扩展通过断裂能准则进行控制，其裂纹演化位移公式为：

(5)

在SiC颗粒失效演化阶段的剪切模量为：

Ga=ρ(ξnl)G

(6)

式中：ρ(ξnl)为剪切保留因子;G是颗粒破碎前的剪切模量，ξnl为开裂应变，代入到关系式(5):

ρ(ξnl)=(1-ξnl/ξmax)p

(7)

式中：ξmax为裂纹张开应变，基于以上的公式进行计算，得到了SiC颗粒脆性断裂相关参数，具体的参数值如表3所示。

表3 SiC颗粒的断裂参数

库伦摩擦模拟了刀具与工件的表面接触，摩擦模型[12]定义为：

(8)

2.3 SiCp/Al复合材料有限元模型的建立

本研究采用微米尺寸的SiCp/Al颗粒增强复合材料建立有限元模型，建立了二维平面应变模型，以降低有限元模型的计算量[13]。用圆形的SiC颗粒建模，使它们随机分布在工件内部，SiC颗粒的体积分数为45%。并对SiC颗粒和Al基体分开建模并分别赋予材料属性，二者均采用四面体单元网格划分技术。将刀具设置为刚体，采用拉格朗日自适应网格划分技术对模型中的网格进行划分，设置工件网格小于刀具的最小网格。SiC颗粒与Al基体之间采用内聚力单元连接，其余的均采用面面接触的方式。为防止工件在仿真过程中产生运动，把Al基体的底面和左面完全固定。模型示意如图4所示，参数如表4所示。

表4 材料参数

3 结果与讨论

3.1 切削区域的应力分析

在切削变形过程中，刀具与Al基体以及SiC颗粒接触的应力分布情况如图5所示，可以发现Al基体和刀具前刀面的SiC颗粒承受着不同程度的应力作用，且SiC颗粒及其周围存在较高的应力值，观察刀具与材料接触区域，发现刀具刚切入SiCp/Al复合材料中时，SiC颗粒在基体中出现较大的集中应力现象，如图5a所示，证明SiC颗粒承受了基体材料Al2024传递的大部分载荷，这种现象的产生主要归因于SiC颗粒具有较高的硬度和强度，且在切削过程中，颗粒与基体之间也会产生相互作用力。由于刀具在进给过程中对SiC颗粒产生了应力作用，且作用在颗粒不同位置的应力并不相同，致使单元网格发生明显的形变，当应力达到极限时，颗粒沿应力集中区域发生断裂，如图5b所示。

如图6所示，开始切削时应力值发生上下波动变化，这主要是由于在刀具与材料接触过程中， SiC颗粒硬度较高，自身和其周围产生较大的应力，在刀具与被切削SiC颗粒的影响下，产生了应力波动，当刀具与SiC颗粒接触时，应力急剧增大，最大值达到1 002 MPa，随后产生切屑并发生脱落，如图5c所示。

从图7a中可以发现沿着剪切角方向塑性变形较大，通过公式可以看出塑性变形越大，应力值越大，在仿真分析可以发现在图7b中剪切角方向应力值较大。

分别提取SiC颗粒和Al基体上的应力，如图8所示。SiC颗粒上的最大应力达到1 002 MPa，而Al基体上的最大应力只能达到735 MPa，两者之间相差较大，导致局部过早出现屈服，由此推断SiC颗粒对切屑表面缺陷的产生起着主要作用。

3.2 切屑中SiC颗粒断裂机理研究

收集实验中的切屑发现多为碎屑，将碎屑制作成金相标本，并对金相标本进行研磨抛光，利用金相显微镜对其进行放大分析，发现碎屑中存在断裂的SiC颗粒，如图9所示，产生该现象的原因是在切削变形过程中，基体滑移速度大于SiC颗粒的转动速度，同时相邻的颗粒也对颗粒的转动产生阻碍，导致颗粒所受应力瞬间增大，促使颗粒超过断裂强度极限发生断裂。

另外，在切削变形过程中当基体滑移受到颗粒的阻碍时，在界面处形成位错塞积，从而形成裂纹并发生断裂。而由于Al基体具有良好的塑性，因此Al基体不易产生裂纹。在切削变形过程中，SiC颗粒与基体形成的碎屑如图10a所示，很好地验证了仿真结果，如图10b所示。

切削变形过程如图11所示，颗粒断裂是由于受前刀面的挤压和摩擦所产生。随着刀具的前进，前刀面对颗粒产生压力和摩擦力，使得切削温度升高从而产生热应力，同时颗粒周围的基体和其他颗粒的阻碍与干涉也会对其产生应力，当颗粒承受的应力总值大于自身的强度极限时，颗粒发生断裂。

3.3 切屑表面微裂纹的形成机制

复合材料中的裂纹源包括材料在制造过程中产生的裂纹源(如孔穴、界面结合缺陷等)以及在切削过程中产生的裂纹源。在切削变形过程中，剪切带内部的组织发生了显著的变化。一方面，由位错引起的切削层表面应力超过某一界限时，在剪切体边缘的自由表面产生裂纹，如图12a所示[14]。另一方面，基体滑移导致颗粒聚集排列在一起，SiC颗粒与基体发生脱粘，以及SiC颗粒自身的断裂，产生微孔洞，这些微孔洞不断长大聚合并形成微裂纹，裂纹在切屑内部沿剪切面蜿蜒扩展，如图12b所示。

剪切面裂纹的扩展严重影响了切屑的形态，当切削速度从50 m/min增加到70 m/min时，切屑自由表面出现小裂纹，当切削速度继续增加到90 m/min时，裂纹逐渐增加，直至切屑与工件分离，如图13所示。这是由于材料内部应力分布不均匀，随着切削速度的增加，基体和颗粒承受的应力增大，使得切屑自由表面附近裂纹两侧的相对滑移增加，裂纹沿Al基体和SiC颗粒的界面扩展程度加深，导致裂纹加大。

由图14a可以看出，基体-颗粒的界面处会形成空洞且存在扩展趋势，但这些微空洞和微裂纹的扩展由于剪切区里静水压力的作用，通常不会发生失稳，从而切屑自由表面有较多不规则的剪切裂纹存在，并由表面延伸至切屑内部。在图14b中发现切屑中有大量的空洞和微裂纹产生，且主要存在于SiC颗粒周围，只有少部分存在于Al基体中，方向与材料变形方向基本相同，证明空洞的形成和微裂纹的扩展在较大程度上影响了SiCp/Al复合材料的切屑形态。

4 结语

本文结合切削实验与仿真，研究体积分数为45%的SiCp/Al颗粒增强复合材料切削变形过程中Mises应力值的大小、颗粒的断裂与破碎机理以及切屑表面裂纹的扩展情况。得到以下结论：

(1)在切削变形过程中，SiC颗粒及其周围会存在较高的应力值，且承受了Al基体传递的大部分载荷。当刀具与被分析的SiC颗粒接触时，应力急剧增大，随后变成切屑并发生脱落，并且发现切削过程中塑性变形越大，应力值越大。

(2) 基体与SiC颗粒受刀具挤压，基体并没有产生裂纹，而SiC颗粒受到切削过程中热应力、基体与颗粒间的相互作用及颗粒与颗粒之间的相互作用力发生断裂，并分析了基体与颗粒的脱粘现象。

(3)随着切削速度的增加，基体和颗粒承受的应力增大，使得切屑自由表面附近裂纹两侧的相对滑移增加，裂纹沿剪切面扩展的程度变大，证明空洞的形成和微裂纹的扩展在较大程度上影响了SiCp/Al复合材料的切屑形态。