基于Bauschinger效应的逆向精切削变形机理

1 引言

对于切削加工来说，理想状态应是加工表面层同表面层之下的基体材料一致，即满足加工出的表面变化最小、甚至最好是没有变化。已加工表面变质层的生成客观上说是不可避免的，但有许多方法可以减小它的产生。本文基于工件材料Bauschinger效应，采用逆向精切方法，以减小已加工表面变质层。

2 逆向精切削法的切削变形模型

图1所示为逆向精切削法的切削变形模型图解。刀具以如图所示正向粗切工件，由于金属在塑性变形过程中，晶粒晶格因受力的作用，而产生滑移、畸变，晶粒破碎晶面不平，晶粒变得细而长且方向逐渐趋于一致，因而显示出一定的方向性，并在已加工表面形成变质层。当刀具以与粗切同方向的切削速度精切时，精切将引起晶粒的进一步流动，晶格歪扭和晶粒进一步拉长，塑性变形的增加，晶体对滑移的阻力加大，促使变质层增大的强化作用占据主导地位，导致变质层增大。


逆向精切引起晶粒返回的流动	粗切引起的晶粒的流动	精切引起晶粒的进一步流动
图1 逆向精切削法的切削变形模型图解

一般认为变质层深度仅有十几微米到几十微米。若正向粗切后，以切削深度小于变质层厚度进行逆向的精切削，就会在切去粗切表面上大塑性应变部分的同时，使已加工表面下面部分的晶粒组织流动也一同返回，引起晶粒返回的流动，促使变质层减小的弱化作用占据主导，表面变质层相应减小。因为是逆方向的负荷，根据 Bauschinger效应，加工硬化会得到相当程度的恢复。光弹试验表明，当刀具切人工件形成切屑时，切入线上部的工件材料承受着复杂的塑性变形，这种变形会扩展到切入线的下部。因此，在表层一定深度范围内存在着弹塑性。逆向负荷使工件下层的弹性部分的应变能得到了一定程度的释放。这样的逆向精加工法得到的已加工表面与通常的加工方法相比，其不平度减小，表面粗糙度低，耐磨性提高。

因此，采用正向粗切后，进行逆向精切这一工艺路线，可以有效的减小表面变质层的产生。

3 基于Bauschinger效应的逆向精切削变形机理

Johan Bsuschinger通过对钢进行一系列的拉伸和压缩实验后发现，在反向变形期间其屈服点降低，即在一定量的单向拉伸或压缩塑性形变之后进行反方向加载，材料的屈服强度会低于连续正向变形的屈服强度，这种现象称之为Bauschinger效应。可以用一个反向应变量来定量描述Bauschinger 效应，这一反向应变量是指载荷反向后为使反向流变应力在数值上等于正向形变所达到的最大流变应力，应该添加的附加应变的大小。

(a)	(b)
图2 金属材料的单向拉伸—压缩曲线

如图2a 所示，ABC代表单轴拉伸中的正向变形，C是卸载点。CD是拉伸卸载段，而DEF是反向(压缩)加载段。不管加载方向是正还是反，把应力值和累积应变量重新画在图2b中。这里，ABCD代表拉伸段，而DEF是压缩加载部分。同时把正向硬化段延长至C'点，于是近似平行的线段CC'和EF之间的流变应力水平的瞬时差Ds_b用作表示Bauschinger 效应的应力参量，它反映所谓“永久软化”的程度。与此类似，最大正向拉伸应力点C 所在处的正反向之间的应变差De_b是个应变特征参量，叫做Bauschinger应变。

对于钢来说，它们的硬化机制主要和变形所产生的滑移有关，可以单纯从滑移的角度去分析Bauschinger效应。

逆向精切削的变形试验

表1 试件材料机械性能
材料牌号	截面尺寸 (mm)	热处理类型	抗拉强度 s_b(MPa)	屈服强度 s_s (MPa)	延伸率 (%)	收缩率 (%)	硬度 (HB)
10	25	正火	340	210	31	55	143
45	25	退火	610	360	16	40	197

(a)同向精切引起晶粒的进一步流动

(b)逆向精切引起晶粒返回的流动

切削参数：
g_O=0°、v=40m/min、粗切ap=0.2mm、精切ap=0.05mm
图3 车削10^#低碳钢的金相显微照片

(a)同向精切引起晶粒的进一步流动

(b)逆向精切引起晶粒返回的流动

切削参数：
g_O=0°、v=40m/min、粗切ap=0.2mm、精切ap=0.05mm
图4 车削45^#钢的金相显微照片

为观察对比同向、逆向精车的塑性变形情况，分别以10低碳钢和45中碳钢作为试件进行车削试验，利用金相技术制作工件已加工表面的金相磨片，在PME OLYMPUS TOKYO光学显微镜下获得金相显微照片。所用试件材料的机械性能见表1。

图3为车削10低碳钢的金相显微照片。在PME OLYMPUS TOKYO光学显微镜下，用数码照相机拍摄的同向精切、逆向精切的晶粒流动分别见图3a、3b。

图4为车削45中碳钢的金相显微照片。同向精切、逆向精切的晶粒流动分别见图4a、4b。

由图3、图4 可观察分析同向精切、逆向精切的晶粒流动变化的情况。如图中所示，由于超出工件材料屈服点而产生了微观组织的变化，表现为晶粒或结晶组织的拉长及加工硬化等。正向粗车后继续正向精车序列表现为晶格歪扭和晶粒进一步拉长，正向粗车后逆向精车序列则表现为引起晶粒返回的流动。

上述试验结果进一步验证了图2 的逆向精切削法的切削变形模型的正确性。

对比分析10低碳钢和45中碳钢的变形情况可知，由于低碳钢的塑性好，故从宏观上看比45更容易反映正、逆向切削序列切削变形的差异。但不同材料的可逆向切削内在的变形机制还需要作很深入的研究分析。但本文认为材料的Bauschinger效应仍是造成正、逆向切削序列切削变形内在差异的主要原因之一。

通常认为产生Bauschinger效应的机制一般有两种，其一是短程效应，这与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。其二是长程效应，即与材料在单向拉伸或循环加载过程中出现的内应力或背应力有关。

宏观上说，屈服强度代表晶体开始塑性变形的抗力。从位错的观点看，流变开始时，滑移面上已有足够多的位错扫过相当大的面积，屈服强度代表着发生大量位错增殖和运动而使滑移带变宽的切应力，所以屈服强度的大小是与位错的可移动性成反比的。

图5 林位错对位错运动的影响

结合短程效应，对逆向精切削的Bauschinger 效应变形机制进行分析。当正向切削变形时，位错沿某滑移面运动，遇到林位错而弯曲，结果会在位错前方，使林位错密度增加，形成位错缠结或胞状组织。如图5 中位置1所示，这种位错结构在力学上是相当稳定的，并形成很强的内应力场对晶体的屈服有显著的阻碍作用。因此，如果此时卸载并随后继续同向切削，位错线不能作显著运动。但若卸载后反向切削，相当于施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于滑移位错运动的前方，则在反向变形时的位错阻力小于继续正向变形时的位错阻力。故位错可以在较低应力下移动较大距离。如果首次加载使位错线处于图中位置2，再反向加载也会出现类似情况。

金属切削过程中的塑性变形会产生内应力，所产生的内应力有利于位错的生长，但不利于位错的运动。内应力的出现被认为是Bauschinger效应产生的主要机制。其中位错在晶界周围堆积和Orowan环的出现是内应力产生的主要来源。研究表明这种内应力会有助于反向加载后的位错运动，对继续正向变形有阻碍作用，而有助于反向变形。

内应力的计算
在金属材料的Bauschinger效应中，内应力起着非常重要的作用。Moan和Embmp提出了适用于一般金属材料的内应力计算模型，该模型认为影响正向流变应力的因素有三个：
1. 固溶强化和使最早一组位错引出并通过障碍的应力对强度的贡献，即初始屈服应力，记作s₀；
2. 可动位错与林位错的交互作用产生的林硬化的贡献，记作s_d；
3. 沉淀相粒子作用在基体上的平均应力或背应力的贡献，记作s_M^F。
如果用公式来表示，正向形变中的总流变应力是

s_f =s₀ +s_d +s_M^F (1)

通常称从塑性变形开始到断裂之前的变形过程为流变过程，每一瞬间的应力称流变应力。切削过程中，流变应力就是使位错持续地通过晶体所需要的最小应力。当反向流变量与正向流变量相当时，形变必定能够克服s₀和s_d，不过此时，s_M^F不会阻碍反向形变，反而有助于发生反向形变。因此，反向总流变应力成为

s_r =s₀ +s_d -s_M^F (2)
由以上两式可知，图2b 中Bauschinger 应力Ds_b为

Dsb =s_f +s_r = 2s_M^F (3)

Zulfikar H.A.Kassam在Moan 和Embmp的内应力计算模型基础上提出了另一模型。在拉伸情况下

s_f≡s_f^t=s_y^t+Ds_for +Ds_b (4)

s_r≡s_f^c=s_y^c+Ds_for -Ds_b (5)

式中s_f———材料在正向加载时的最大应力
Ds_for———由于位错干涉或林硬化导致的流变应力增量
Ds_b———内应力
s_r———材料在反向加载时的流变应力
s_y^t、s_y^c———拉伸和压缩情况下的原始屈服应力
s_y^t———卸载之前，材料在拉伸时的最大应力
s_f^c———预加应力后，材料在压缩时的补偿屈服应力
由以上两式可得

s_f^t-s_f^c=s_y^t -s_y^c + 2Ds_b (6)

所以内应力

Ds_b=½(s_f^t-s_y^c-s_y^t+s_y^c) (7)

在压缩情况下，内应力的方向反向，即

Ds_b=-½(s_f^t-s_y^c-s_y^t+s_y^c) (8)

4 结语

对比正向、逆向切削序列，结合Bauschinger效应，从位错运动的角度考虑，金属切削过程中塑性变形所产生的内应力会有助于逆向切削序列的位错运动，利于反向变形。而对正向切削序列的继续正向变形有阻碍作用，不利于继续正向变形。可逆向精切削序列，调整了切削区域中位错产生和运动的条件，改变了位错之间及位错与各种障碍之间相互作用的特征，促进金属塑性变形的进行，可以有效的减小已加工表面表面变质层的产生。

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刀具加工切削加工

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