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金属玻璃切削过程中片状切屑的形成机理
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金属玻璃作为一种具有广阔应用前景的新型材料，在推进其工程应用的过程中，高效率、高精度的加工（包括切削、车削和钻削等）是必不可少的一个环节。然而，对于金属玻璃在切削过程中的变形行为及其物理机制的研究要远远落后于晶态合金材料，其中对于切屑形成机理的理解至关重要。金属玻璃在切削过程中常常会产生一种独特的连续的片状切屑，即使是在切削速度非常低的条件下。由于金属玻璃较低的热导率，这种片状切屑一般认为也是由于绝热剪切带的周期形成导致的。但是，与传统晶态材料相比，金属玻璃具有截然不同的塑性流动机制。因此，基于STZ的自由体积的非线性演化及其动态失稳有可能在片状切屑的形成过程中起重要作用，而这一点在以前的研究中还未见报道。此外，在金属玻璃切削过程中极限环分叉现象是否仍然存在？如果存在，那么主控机制是什么？对于这些问题的回答不仅对于金属玻璃的应用至关重要，而且将有助于我们更好地来理解金属玻璃的流动机理，甚至剪切带的形成机制。基于上述考虑，我们进行了Vit 1块体金属玻璃的低速切削实验，发现产生的独特的片状切屑主要归因于刀具前面主剪切区内剪切带的周期形成(见图1）。基于实验观察，考虑在主剪切区内力、自由体积和温度的平衡，发展了一种热力耦合的正交切削模型来定量表征片状切屑的形成。采用线性扰动分析，揭示了片状切屑形成的临界条件。这种切屑的形成可以理解为一种自我维持的极限环失稳现象（见图2），即在主剪切区内应力、自由体积和温度的自动反馈。其背后的物理机制是自由体积流和源的对称破缺，而不是热失稳。
相关工作已经发表在Acta Mater 57 (2009) 5730-5738.
Formation mechanism of lamellar chips during machining of bulk metallic glass
M.Q. Jiang, L.H. Dai *
State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Received 27 November 2008; received in revised form 19 February 2009; accepted 19 February 2009 Available online 28 March 2009
Abstract
The unique lamellar chips formed in turning–machining of a Vit 1 bulk metallic glass (BMG) are found to be due to repeated shearband formation in the primary shear zone (PSZ). A coupled thermomechanical orthogonal cutting model, taking into account force, free volume and energy balance in the PSZ, is developed to quantitatively characterize lamellar chip formation. Its onset criterion is revealed through a linear perturbation analysis. Lamellar chip formation is understood as a self-sustained limit-cycle phenomenon: there is autonomous feedback in stress, free volume and temperature in the PSZ. The underlying mechanism is the symmetry breaking of free volumef low and source, rather than thermal instability. These results are fundamentally useful for machining BMGs and even for understanding the physical nature of inhomogeneous flow in BMGs.
Keywords: Bulk metallic glass; Lamellar chip; Orthogonal cutting model; Free volume; Limit cycle
图1 Vit1金属玻璃切削过程中形成的切屑形貌
图2 极限环分叉行为
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