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1.文章導(dǎo)讀

根據(jù)切屑形貌、加工表面質(zhì)量以及亞表面損傷狀態(tài)，可將材料的去除模式分為脆性去除和塑性去除。當(dāng)加工條件發(fā)生改變時(shí)材料的脆塑性去除模式將隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。脆塑轉(zhuǎn)變廣泛的存在于涉及到極小變形尺度的制造、激光輔助加工以及高速加工等極端制造工藝。全面的理解脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)制，合理的利用材料的脆塑轉(zhuǎn)變對(duì)提高加工表面的完整性、加工效率以及延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命具有重要意義。近期，華僑大學(xué)與伍倫貢大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生張濤，華僑大學(xué)制造工程研究院、脆性材料產(chǎn)品智能制造技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心姜峰教授、黃輝教授、陸靜教授、吳躍勤教授、徐西鵬教授，和伍倫貢大學(xué)機(jī)械，材料，機(jī)電和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院姜正義教授在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《進(jìn)一步理解極端制造過(guò)程中的脆塑性轉(zhuǎn)變》的綜述。如圖1所示，文章系統(tǒng)的綜述了極端制造工藝中溫度升高和變形尺度減小所誘導(dǎo)的脆-塑轉(zhuǎn)變，以及晶粒尺寸減小和應(yīng)變率提高所誘導(dǎo)的塑-脆性轉(zhuǎn)變，總結(jié)了脆塑轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)，并分析了如何借助加工過(guò)程的脆塑轉(zhuǎn)變進(jìn)一步提高材料的可加工性和加工質(zhì)量。

圖1 極端制造過(guò)程的脆塑轉(zhuǎn)變

2.最新進(jìn)展

本文首先介紹了極端制造過(guò)程中的脆塑轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，主要涉及單點(diǎn)金剛石車削以及超精密磨削等具有極小變形尺度的制造工藝、激光輔助加工和高速加工。然后對(duì)極端制造過(guò)程中脆塑轉(zhuǎn)變的機(jī)制進(jìn)行了綜述，主要包含變形尺度減小誘導(dǎo)的脆-塑轉(zhuǎn)變、變形溫度升高導(dǎo)致的脆-塑轉(zhuǎn)變、晶粒細(xì)化誘導(dǎo)的塑-脆轉(zhuǎn)變以及變應(yīng)變率升高誘導(dǎo)的塑-脆轉(zhuǎn)變。

變形尺度減小誘導(dǎo)脆-塑轉(zhuǎn)變機(jī)制：一些離子鍵、共價(jià)鍵材料由于鍵能較高，導(dǎo)致塑性變形較為困難，這些材料在常規(guī)變形尺度通常表現(xiàn)出明顯的脆性失效特征。當(dāng)變形尺度減小，變形區(qū)域包含缺陷的概率減低，位錯(cuò)激活將早于裂紋擴(kuò)展，從而使得這一類材料在極小變形尺度時(shí)表現(xiàn)出明顯的塑性行為。同時(shí)，隨著變形尺度的減小，應(yīng)力強(qiáng)度因子將會(huì)小于斷裂韌性從而誘導(dǎo)脆-塑轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

變形溫度升高誘導(dǎo)脆-塑轉(zhuǎn)變機(jī)制：在常溫條件下表現(xiàn)出脆性斷裂失效的共價(jià)鍵、離子鍵材料，當(dāng)變形溫度升高時(shí)將會(huì)表現(xiàn)出明顯的塑性行為。變形溫度升高誘導(dǎo)的脆-塑轉(zhuǎn)與材料的熱激活有關(guān)。溫度升高加劇了固體材料內(nèi)部原子的振動(dòng)， 變形區(qū)域原子克服能量壁壘發(fā)生相對(duì)滑移將會(huì)變得更加容易。隨著應(yīng)力的增加，塑性變形將會(huì)先于脆性斷裂發(fā)生，從而誘導(dǎo)脆-塑轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

晶粒尺寸減小誘導(dǎo)塑-脆轉(zhuǎn)變：白層是加工過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，尤其對(duì)于高速加工而言。白層區(qū)域的材料具有明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，但晶粒尺寸通常大于100 nm。一般而言，隨著晶粒細(xì)化程度的增加，材料的屈服強(qiáng)度升高，但失效應(yīng)變減小，也即隨著晶粒的細(xì)化程度的增加，材料發(fā)生了脆化。晶粒細(xì)化是高速加工過(guò)程中塑-脆轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要原因。

應(yīng)變率升高誘導(dǎo)塑-脆轉(zhuǎn)變：應(yīng)力波理論為應(yīng)變率升高誘導(dǎo)的塑-脆轉(zhuǎn)變提供了一種解釋。由于卸載波的作用，材料在承受沖擊載荷時(shí)將表現(xiàn)出明顯的變形局部化現(xiàn)象。當(dāng)沖擊速度高于塑性波速時(shí)，塑性材料將發(fā)生偽脆現(xiàn)象。這種卸載波通常有兩種形式，第一種是沖擊載荷卸載誘導(dǎo)的彈性波，另一種為反射彈性波。

圖2 卸載波對(duì)變形分布的影響（a）反射波誘導(dǎo)的卸載波 （b）沖擊載荷卸載誘導(dǎo)的卸載波

位錯(cuò)移動(dòng)理論為應(yīng)變率升高誘導(dǎo)的塑-脆轉(zhuǎn)變提供了另外一種理論解釋。位錯(cuò)移動(dòng)理論指出隨著加載速度的增加，位錯(cuò)相對(duì)于載荷的速度將會(huì)趨向于零。當(dāng)加載速度足夠高時(shí)，位錯(cuò)在塑性材料內(nèi)部將不能移動(dòng)，也即發(fā)生了塑-脆轉(zhuǎn)變。應(yīng)變率升高誘導(dǎo)的塑-脆轉(zhuǎn)變是高速加工過(guò)程發(fā)生塑-脆轉(zhuǎn)變的另一個(gè)重要原因。

本文指出脆塑轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是塑性變形與裂紋擴(kuò)展相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，這種關(guān)系可用圖3所示的銜尾蛇圖案表示。該圖案靈感源于中國(guó)于1989年發(fā)行的第一輪生肖郵票之“蛇”，寓意著脆性和塑性都體現(xiàn)了材料的本征屬性，你中有我，我中有你，可以在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。通過(guò)改變外部變形環(huán)境可以使被加工材料的塑性或脆性發(fā)生改變，使之與具體加工過(guò)程相匹配，實(shí)現(xiàn)具有特定目的的加工。對(duì)于脆性較大的材料而言，可通過(guò)減小變形尺度、提高變形溫度實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷加工。對(duì)于塑性較大的材料而言，通過(guò)提高加工速度，可減小加工區(qū)域材料的變形程度，進(jìn)而降低變形力和加工溫度，提高加工表面質(zhì)量等。

圖3 脆性與塑性之間的相互轉(zhuǎn)化

3.未來(lái)展望

加工過(guò)程材料的脆塑性轉(zhuǎn)變通常受多因素共同影響，且各因素之間存在耦合作用。然而大多數(shù)研究通常只關(guān)注單因素的影響，使得現(xiàn)有研究不能與實(shí)際制造過(guò)程建立起有效的聯(lián)系。因此更多的研究應(yīng)該關(guān)注于多因素耦合作用下材料的脆塑性轉(zhuǎn)變機(jī)制。隨著高速加工、多能場(chǎng)輔助加工等先進(jìn)制造技術(shù)的涌現(xiàn)，加工過(guò)程材料的脆塑轉(zhuǎn)變相關(guān)研究面臨更多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)、微納尺度的試驗(yàn)技術(shù)不能夠提供與實(shí)際加工過(guò)程相匹配的試驗(yàn)條件，迫切需要開(kāi)發(fā)與之適用的試驗(yàn)技術(shù)。需要特別指出，磁場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等能場(chǎng)作用下材料的脆塑轉(zhuǎn)變應(yīng)該得到更多的重視以促進(jìn)能場(chǎng)輔助加工技術(shù)的發(fā)展。

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