纯铁的高速变形行为及切削特性

作     者：冯利民 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏国胜

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纯铁 应变率 切削 变形 表面完整性 

摘      要：纯铁作为一种具有高塑性、低硬度和超导磁性的金属材料,广泛应用于军事装备、航空航天、电力电子等工业领域。在高速加工、动态冲孔和冲压成形的纯铁零件制造过程中,变形速度对工件材料的塑性变形过程和断裂行为有很大影响。本文主要通过改变应变率对纯铁的塑性变形过程和断裂行为进行了探究,并根据其不同应变率下塑性变形行为开发了其加工工艺,为纯铁的高效、高质量加工提供工艺借鉴。主要研究内容和结论如下:首先,在室温下,采用改进的SHPB技术,对纯铁试件进行冲击速度为16-64m/s的双切口剪切实验,并通过高速摄影机和金相显微镜对试件剪切变形区的动态变形行为分别进行了信息采集和观察。根据获得的剪切变形区的动态剪切变形视频图像和金相显微形貌,分析剪切变形区的动态变形过程,探究真实剪切带的宽度变化、剪切变形区的名义应变(应变率)和真实应变(应变率)之间的关系、以及剪切变形区断裂应变的分布。研究表明,双切口剪切试件在动态冲击载荷下经历了均匀变形、局部剪切、裂纹萌生和宏观断裂等四个阶段。在局部剪切变形阶段形成的局部剪切带,造成了真实剪切带宽度的降低,以及真实应变(应变率)与名义应变(应变率)之间形成差异。试件的断裂应变由均匀变形阶段和局部剪切变形阶段的应变组成。其次,在室温下,通过MST万能试验机和改进的SHPB技术,对纯铁试件进行大应变率范围内(3.3×10-2.5×10 s)的双切口剪切实验,采用金相显微镜和SEM分别对剪切变形区的变形及断裂行为进行分析和观察,探究纯铁在不同应变率下的变形及断裂模式,通过剪切变形区的金相显微形貌计算大应变率范围内的断裂应变,得到其塑脆性转变点。结果表明,纯铁在大应变率范围内,存在三种不同的变形和断裂模式:等温变形(断裂)、绝热变形(断裂)和声速变形(断裂)。当应变率达到1.74×10 s时,材料发生脆化,随着应变率的继续提高,断裂应变迅速降低。最后,根据不同变形速度下纯铁的变形特点,提出基于纯铁热软化的切削工艺,通过改变PCBN刀具的刃口形式获得不同变形状态,对纯铁进行切削实验,并进行纯铁的高速切削实验,探究切削速度对切屑形态的影响,验证纯铁材料的塑脆转变现象。通过对切屑形态、刀具磨损、已加工表面粗糙度、已加工表面形貌和表层显微硬度的分析,获得合理的刀具刃口类型。从而在保证刀具寿命的前提下,提高纯铁切削加工精度和加工质量。研究表明,刀具负倒棱角度为30°,宽度分别为0.05mm和0.2mm,与角度为10°,宽度为0.1mm的三种PCBN刀具比较适合应用于纯铁的切削加工。在9000m/min的切削速度下,纯铁切屑发生了层裂现象,形成了典型的脆性沿晶和穿晶断裂形貌。