機械加工過程中的材料損傷研究

于桂平

摘 要：材料在進行機械加工時或多或少會出現一些裂痕、材料的光潔度下降、材料變形等材料損傷，這導致工件內部產生一些殘留材料，直接影響產品的進一步加工生產和使用。因此，必須明確材料在機械加工過程中常見的損傷類型，主要包括彈塑性變形及損傷和韌性損傷。對此，有必要準確確定材料內部結合與變形之間的關系，以及在高溫環(huán)境下的相變熱傳導和彈塑性熱傳導效應，從而準確控制機械加工的溫度、工藝等影響因素，以此降低機械加工中的材料損傷。

關鍵詞：材料損傷;機械加工;韌性損傷;彈塑性變形

隨著經濟的發(fā)展，機械加工業(yè)得到了長足發(fā)展，然而當前制造業(yè)當中對材料進行機械加工時或多或少的會出現一些損傷，如材料表現出現裂痕、材料的光潔度下降、材料變形等現象，這不僅產生了材料的浪費，還會使得一些工件內部產生一些殘留材料，對產品的進一步加工生產產生了重要的影響，產品質量也得不到保障，企業(yè)的經濟效益進一步的受影響。因此有必要對當前機械加工過程中的材料損傷進行分析，探討材料在加工過程中變形的原因，從而提出相關建議。

1 機械加工過程中常見的材料損傷

通過查看相關文獻及走訪企業(yè)，發(fā)現在對材料進行機械加工時，最常出現材料的彈塑性損傷和韌性損傷問題。

1.1 材料的彈塑性變形及損傷

材料在機械加工過程中產生彈塑性變形及損傷是最為常見的問題之一，通常金屬材料最容易在機械加工過程中產生彈塑性變形和損傷。這個問題一直以來備受工程界的廣泛關注，包括一些泵類產品在機械加工中也會導致這個問題。而材料的彈塑性變形和損傷最常的表現圓柱試件拉伸頸縮問題和含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷。

彈塑性的韌性金屬材料在機械加工過程中最常見的問題就是圓柱試件拉伸頸縮問題，它是一種基本的力學現象與力學問題。從整體分析來看，首先應該分析材料自身的結構，材料在機械加工過程中的整體效果很大程度上受到材料自身結構的使用效果和結構整體應用的影響，如金屬材料在機械加工過程中就容易產生這個問題。在機械加工工作中，這個問題還沒有找到有效的解決辦法，解決這個問題的技術尚處于初期發(fā)展階段。

含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷是彈塑性變形，是損傷的另一種重要顯現形式。當對材料進行機械加工時，材料處于拉伸負荷狀態(tài)，此時材料試件的開口處周邊會產生巨大應力集中。通常材料在進行機械加工時，會受到三向應力狀態(tài)，此時，三個應力都不等于零，其中最大剪應力就容易引起材料損傷。面對含切口圓柱拉伸試件切口前沿的損傷問題，一定要認真調查材料內部的應力分布和受力分布情況，同時開展多次試驗，并記錄相關試驗數據，才能找到它的真正損傷原因。

1.2 韌性損傷

韌性是指材料受到使其發(fā)生形變的力時對折斷的抵抗能力，韌性損傷為韌性斷裂前的微小變化。材料在機械加工過程中還容易產生韌性損傷，如材料內部存在微裂痕或者材料上存在的微孔洞在加工過程中就容易產生韌性損傷。這種損傷表現為球形孔洞損傷、橢圓形孔洞損傷。球形孔洞損傷是材料機械加工中常見的一種韌性損傷。由于材料本身會存在一些細微的孔洞，這些孔洞的大小、形狀分布往往沒有規(guī)律，因此，難以快速高效的對孔洞進行快速分析，這就導致要測量這些孔洞需要耗費大量的時間和金錢，對此，許多企業(yè)采用局部平均化對孔洞進行測量。除了球形孔洞損傷外，還存在橢圓形孔洞損傷，隨著機械加工技術的發(fā)展，材料的損傷正逐步減少，但是橢圓形孔洞損傷仍然存在，主要由于在材料加工過程中，生產和制作零部件時需要利用機器壓實材料內部中存在的各種類型的孔洞，通過在處理橢圓形孔洞時，需要從整體上來分析孔洞的形態(tài)，確保空白的有效閉合，避免將來發(fā)展成裂痕等問題。

2 機械加工過程中材料損傷的形成分析

對于材料在機械加工過程中的損傷問題，最早很多人簡單認為是力學原因造成的損傷，但是隨著熱力學的發(fā)展，人們開始認識到除了力學本身，熱學也會對材料損傷產生影響。主要是在高溫作用下，熱力問題會對材料產生很大影響。

2.1 熱力學對固體材料的應力影響

從固體的構形和變形的幾何特征來看，二者存在較大的差距，所占的空間并沒有固定，因此，從固體系統構成過程看來，固體的構形與變形之間存在較大差異。要明確變形對變量的影響，就一定要明確固體的每個質點所占的位置及所占用的空間，然后根據其位置變化進行構形，對相應數量的質子的變形情況進行標量，從而通過位置來確定應變張量和固體變形之間的關系。對此，可以借助于對稱張量來計算固體變形和張量變化的相關性。

熱力學是從宏觀角度分析物質的熱運動性質和規(guī)律，從能量轉化角度來分析物質的熱性質，它能夠有效應解材料在機械加工過程中的變形和損傷的問題。固體材料在機械加工過程中是一個連續(xù)的過程，會對材料產生一定的表面力和張力，表面力是通過物體接觸而產生和傳遞的一種作用力，他并不是只作用于物體表面，而是廣泛存在于固體內部，這種表面力的測量跟測量的方向和測量的過程高度相關。

從熱力學角度來看，通過計算固體不可逆熱力學狀態(tài)的基本狀態(tài)變量來分析材料內部的熱力動作，能夠準確地分析出材料在機械加工制作過程中的損傷原因。

2.2 主要的材料損傷的形成分析

隨著機械加工工藝技術的發(fā)展，材料加工中的損傷已經有一定減少，然而仍然不能避免，材料的機械加工難免受到周邊環(huán)境的影響，從而難以避免材料損失等缺陷產生。無論是微觀缺陷和宏觀缺陷，都會影響到材料的加工和使用性能，同時也會對材料的韌性和結構強度產生一定的影響。

2.2.1 材料韌性斷裂形成分析

材料的韌性斷裂是指材料在經過大量彈塑性變形后而發(fā)生的斷裂現象。其主要特征表現為發(fā)生了明顯的宏觀性變形，如彎曲、過量伸長、過量鼓脹等。斷口的尺寸也發(fā)生了明顯的改變。材料在機械加工過程中容易產生損傷和宏觀裂痕，在此基礎上不斷拓展，最后就會形成韌性損傷，甚至韌性斷裂，也稱之為塑形斷裂。這種斷裂通常是對材料進行拉伸而產生的。通過對韌性斷裂進行詳細的分析和研究，發(fā)現材料在破壞過程中，往往由于內部損傷而產生了孔及氣體形狀，再不斷擴展而最終形成了斷裂。

2.2.2 球形孔洞損傷的形成分析

由于材料本身存在大量的大小形狀都不規(guī)則的孔洞，因此，在對材料進行機械加工之前，必須對這些孔洞進行詳細分析。對此，大部分的企業(yè)采用的是有限元分析的方法來解決，鑒于研究過程往往會耗費大量的費用，而最后必須要這個數據結果，卻沒有系統性的方法和公式來對其進行分析和研究，所以不能快速得到一個有效的方法，最后只能對一個局部區(qū)域進行分析，采用平均法來進行研究。如在對金屬材料進行機械加工時，就容易形成韌性金屬材料，這個材料中包含了很多粒子，在對材料使用過程中，孔洞就容易出現不牢靠的問題，隨著材料形體的增大，這些孔洞會固定出來粒子，隨著粒子的不斷增大，就容易形成空洞，就容易引發(fā)材料斷裂。孔洞形成形和伴隨著材料的不斷演變是材料斷裂損傷的重要因素。對此，可以構建非線性機體材料，設計相應的材料模型，根據測算出來的材料結構強度，來對孔洞的大小和損傷情況進行詳細的分析。

3 計算材料結構變化時需考慮的其他因素

在了解了材料損傷的機理和規(guī)律后，就可以有針對性地計算材料結構變化與材料損傷的關系，還需要了解材料本身的相變熱傳導和彈塑性熱傳導對材料結構變化產生的影響。

3.1 考慮相變熱傳導引入對計算材料結構變化的影響

根據熱力學原理，要減少材料在機械加工過程中的損傷，就必須詳細了解材料的結構與變形之間的關系，對此可以利用相變熱傳導方法對相關問題進行計算。變相熱傳導可以準確計算材料在機械加工過程中內部的結構的變化，當中要注意必須在計算時應該考慮到材料經過高溫加熱作用后要經過的連續(xù)冷卻過程，這個過程發(fā)生的變化必須考慮在內。需要充分了解在高溫加熱過程中材料內部是否會熱生產。在對材料進行高溫機械加工過程中會出現材料因變形而產生的內熱。因此，在利用相變熱傳導時，應該充分考慮材料變相和材料內熱之間的關系，明確材料在變形過程中是否會產生內熱，才能有效控制材料的溫度，從而減少加工過程中的材料損傷。

3.2 考慮彈塑性熱傳導對材料結構變化的影響

材料在進行機械加工時，除了會產生變相熱傳導現象外，還可能產生塑形熱傳導現象。材料在高溫環(huán)境下進行機械加工后會產生結構上的變化，當中可能會出現彈塑性熱傳導的變化，它是指材料經過機械加工后可能產生彈塑性方面的材料損傷，高溫條件下的機械加工會對材料內部結構進行破壞，從而引發(fā)彈塑性損傷。對此，有必要對材料的彈塑性熱傳導進行計算，減少因彈塑性熱傳導而產生的材料損傷。

4 結束語

在對材料進行機械加工過程中，材料損傷是不可避免的，這不僅浪費材料，更重要的是產生的殘留材料會對后續(xù)材料的使用和加工產生不良影響，因此，應該盡量減少材料損傷。從熱力學角度來看，材料損傷受到材料本身的相變熱傳導、彈塑性熱傳導、加工工藝等因素的影響，要想減少材料損傷，就必須對材料進行構形和變形分析，弄清楚材料變形對其質點變量的影響，明確在特定的高溫環(huán)境下其相變和彈塑性與材料內熱之間的關系，通過實驗找到最佳的加工環(huán)境，包括控制機械加工的溫度、工藝等，從而降低機械加工中的材料損傷。

參考文獻：

[1]胡燁，陶小培.機械加工過程中機械振動的成因及解決措施[J].時代農機，2018，45（01）：41+43.

[2]鄭森，闞英男，劉濱碩.機械加工過程材料損傷及熱力學行為的研究[J].內燃機與配件，2017（24）：60.

[3]陳鵬.轎車變速箱齒輪加工自動生產線總體方案及關鍵技術研究[D].重慶大學，2017.

[4]張航.后期熱處理對陶瓷復合材料機械加工損傷的影響[J].中國陶瓷，1998（3）：14-17.

[5]劉敬遠.硅片化學機械拋光加工區(qū)域中拋光液動壓和溫度研究[D].大連理工大學，2009.