加工参数对单晶γ-TiAl合金纳米切削影响的研究

摘要

γ-TiAl合金具有低密度、高弹性模量、高温强度以及良好的阻燃性能等优点使其在航空航天、涡轮机的叶片、汽车行业等领域有较大的发展潜力。但γ-TiAl合金具有室温脆性和难变形加工性，为了改善其加工性能，需要从本质上研究其加工机理，这就必须从原子尺度进行分析。纳米加工技术是通过纳米级材料的去除揭示金属材料加工机理的有效手段。而纳米切削试验不能对整个切削过程和微观组织的演化进行动态观察。分子动力学方法不仅能够捕捉单个原子的轨迹、能量和位置等信息还能对整个切削过程中微观组织的演化进行全方位的观察。因此，本文以单晶γ-TiAl合金为研究对象，利用分子动力学模拟方法，研究不同切削参数下材料的变形机理、微观缺陷演化及其对力学性能的影响等。具体研究工作包括如下几个方面： (1)利用分子动力学方法建立了单晶γ-TiAl纳米切削模型，详细的阐述了切削过程中材料去除和变形，采用CNA缺陷识别技术精确的研究了亚表面缺陷和晶体结构转变规律，综合讨论了切削力和微观缺陷之间的关系，另外，又对工件中温度变化和位错演化做了较系统的解释。 (2)对比研究了不同切削参数(切削深度、切削速度和切削晶向)下的晶体结构转变数量规律，分析了不同切削参数下切削力、摩擦系数、亚表面缺陷、已加工表面质量变化规律，得到了当切削深度较小时亚表面缺陷遗留较少，已加工表面质量较好；当切削速度为200m/s时亚表面缺陷长度和深度较大，位错之间的反应较多；当切削晶向沿着[(1)01]时工件内部产生了“V”-位错环，而切削晶向沿着[(1)00]时工件内部产生了层错四面体。此外，解释了不同切削参数对牛顿层平均温度和位错演化分布等影响。 (3)在不同切削深度加工完成后又建立了拉伸力学模型，分析了切削前后的晶体结构转变规律，探讨了不同切削深度对单晶γ-TiAl合金拉伸阶段的弹性模量、应力-应变、位错的形核位置和工件的断口形貌等规律，得到了切削前后的晶体结构转变规律相反，在一定切削深度下工件的弹性模量和极限应力会相应的提高。

目录

声明

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外纳米切削加工研究现状

1.2.1 单晶材料的纳米加工机理

1.2.2 纳米切削过程中切削力和切削温度分布规律

1.2.3 纳米切削过程中残余应力分布规律

1.2.4 纳米切削过程中亚表面损伤和微观组织演化

1.2.5 不同切削参数对纳米加工过程的影响

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 分子动力学理论

2.1 分子动力学基本理论

2.1.1 经典牛顿运动方程及求解方法

2.1.2 分子动力学中的模拟系综

2.1.3 分子动力学中原子间势函数的选择

2.1.4 分子动力学中常用的边界条件

2.1.5 分子动力学中的时间步长

2.2 系统中原子间相互作用力的计算

2.3 分析晶体缺陷时常用的方法

2.3.1 中心对称参数

2.3.2 共近邻

2.4 分子动力学常用模拟软件

2.5 本章小结

第3章 单晶γ-TiAl合金纳米切削机理

3.1 引言

3.2 单晶γ-TiAl合金纳米切削仿真模型

3.3 结果与分析

3.3.1 纳米切削中材料去除和变形

3.3.2 纳米切削中亚表面缺陷演化

3.3.3 纳米切削中切削力的变化

3.3.4 纳米切削中切削力与微观缺陷之间的关系

3.3.5 纳米切削中晶体结构的转变

3.3.6 纳米切削中温度的变化

3.3.7 纳米切削中位错的演化

3.4 本章小结

第4章 不同切削参数下单晶γ-TiAl合金的纳米切削特性

4.1 引言

4.2 切削深度对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响

4.2.1 切削深度对晶体结构转变的影响规律

4.2.2 不同切削深度下切削力和摩擦系数的变化

4.2.3 切削深度对亚表面缺陷演化的影响

4.2.4 不同切削深度下已加工表面质量的分析

4.2.5 切削深度对温度的影响

4.2.6 不同切削深度下位错演化的分析

4.3 切削速度对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响

4.3.1 切削速度对晶体结构转变的影响规律

4.3.2 不同切削速度下切削力和摩擦系数的变化

4.3.3 切削速度对亚表面缺陷演化的影响

4.3.4 不同切削速度下已加工表面质量的分析

4.3.5 切削速度对温度的影响

4.3.6 不同切削速度下位错演化的分析

4.4 切削晶向对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响

4.4.1 切削晶向对材料去除的影响

4.4.2 切削晶向对晶体结构转变的影响规律

4.4.3 不同切削晶向下切削力和摩擦系数的变化

4.4.4 切削晶向对亚表面缺陷演化的影响

4.4.5 不同切削晶向下已加工表面质量的分析

4.4.6 切削晶向对温度的影响

4.4.7 不同切削晶向下位错演化的分析

4.5 本章小结

第5章 不同切削深度下单晶γ-TiAl合金的力学性能

5.1 引言

5.2 单晶γ-TiAl合金纳米切削和拉伸仿真模型

5.3 结果与分析

5.3.1 切削深度对晶体结构转变的影响规律

5.3.2 不同切削深度下位错演化的分析

5.3.3 切削深度对工件应力-应变的影响

5.3.4 拉伸阶段对晶体结构转变规律的研究

5.3.5 不同切削深度下位错形核位置的分析

5.3.6 切削深度对工件断口形貌的影响

5.4 本章小结

总结与展望

本文总结

后期展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表论文