03.位错理论在金属切削中的应用
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位错理论的应用
2切削过程中的硬化机理
从位错理论的观点看,加工硬化是随塑性变形进行的,晶中存在各种不 同的障碍它们以不同的方式阻碍着位错的运动,使晶体中位错运动愈来 愈困难,从而导致金属晶体的硬化.由于于位错运动引起晶体结构的变化, 就会在晶体内部产生内应力而阻止滑移继续进行.同时由于变形而新增 殖的位错大多数在晶体内部互相缠结,正是由于这些结和相互干扰,位错 产生的内应力牵制了其它位错的运动.因此,冷加工中产生的硬化主要是 由可动位错与形变本身在材料中积聚的位错之间的弹性相互作用引起的. 加工硬化的金属一旦退火之后,它又变软,又可再进行冷加匚,这是因为在 热激活状态下将消除位错缠结高温下发生的位错攀移倾向于减少位错密 度,并且阻碍位错运动的晶界也会在高温下被瓦解。
不同类型位错的特征
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螺型位错的特征
（1）螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的； （2）根据位错线附近呈螺旋形排列的原子旋转方向不同，螺旋形位错可分 为右旋和左旋位错； （3）螺型位错线和滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方 向与晶体滑移方向相互垂直； （4）纯螺型位错的滑移面不是唯一的； （5）螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是只有平行于位错的切 应变而无正应变，则不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错的平面投 影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷； （6）螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，所以它 也是包含几个原子宽度的线缺陷。
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1刃型位错
2螺型位错
在金属晶体中，由于某种原因， 晶体的一部分相对于另一部分 出现一个多余的半原子面。这 个多余的半原子面有如切入晶 体的刀片，刀片的刃口线即为 位错线。这种线缺陷称为刃型 位错。半原子面在上面的称正 刃型位错，半原子面在下面的 称负刃型位错。
切屑形成区域中载荷是变化的,在没有形成新位错的深度上,载荷最小, 在早已处于破环区域的表面上,载荷最大.因而已变形金属的一定区域,应 该具有相应于硬化的一定阶段的位错结构.硬化开始阶段位错仅沿一个 滑移系统滑移,表现为金属表面上呈现均匀分布的细微滑移线在这个阶 段,运动位错的障碍可以是晶粒间界;局部的障碍以及相交滑移平面中运 动位错的弹性作用等.继续提高载荷可促使滑移沿2~4个滑移系统发展当 切削面心立方金属时可在5个滑移系统上观察到位错的活动性.随着变形 程度的增加塑性变形出现不均匀性,表现为滑移带的局部化以及晶粒间 界的位错塞积,增加切削速时可观察到晶粒间界处滑移带的局部化的半原子面； （2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线； （3）滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上 不能滑移； （4）晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有 切应变又有正应变； （5）在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。
4利用位错理论改善刀具材料的切削性能
4.1提高刀具材料的强度和韧性 根据位错理论中的Hal- petch公式,刀具材料的屈服强
度为σ=+kd1/2.显然晶粒直径d越小,晶粒越细,屈服强度 a,越高,因为细晶粒滑移面短,应变量小,不易产生足够数 量的位锖塞积使晶界应力集中,来促使邻近品粒中的位 错运动,因此细晶结构对提高刀具材料的强度和韧性是 有好处的。
在晶体的刚性模型中,切变是均匀的,滑移过程在整个滑移面上同时进行,致使一个点阵平面中所有原子要同时翻越两个平衡位置之间的能 量高峰(势垒).显然,如果品体的塑性变形要依靠两半晶体作刚性滑移来实现是很困难的,因而切变强度很高.而有位错缺陷的实际晶体切变是 非均匀的,只有少数原子同时处于能量不利位置,所以滑移能在很低的应力作用下进行.例如,当晶体中有一个位错缺陷,它使滑移面原来均匀对 称等幅的波形势能曲线发生畸变,而将位错中心处的势能曲线压低.于是位错运动时不需滑移面上所有的原子同时翻越势垒,只位错处的一排原 子依次酬越一个较低的势垒即可.由此可知,晶体塑性变形时并不是晶体的一部分沿着滑移面相对于另一部分同时进行刚性整体位移,而是借位 错在滑移面上运动来逐步进行的.因此,可将位错看作是晶体不均匀(局部)切变的结果,位错线就是已滑移区域和未滑移区域的分界线。
3金属断裂的位错机理
各种复杂的断裂情况原则上都可能进行位错模拟。 设在金属材料中有一组按某种分布的位错,其中各位错均处在力学稳 定状态.如果这组位错在其附近引起材料的某种弹、塑性变化,与施加在 材料上的应力在裂纹附近所产生的弹、塑性变化相同时,就可认为这组 位错与该受力情况下的裂纹等效。 一个多晶体的断裂可分为裂纹形核、裂纹扩展和裂纹分开三个阶段, 以下从位锖理论的观点,简述裂纹形核和扩展的机理。 斯特洛( Stroh)提出最简单的裂纹模式是在障碍上包含着一系列刃位 错的平面塞积,其顶端的应力集中可能导致塞积头的几个位错聚合成裂 纹。 科垂耳( Cotterell)根据位错反应规律提出的裂纹模式是在两个相交的 滑移面中运动位错沿着交线汇合形成裂纹源。 滕田从位错的销毁概念出发,提出的裂纹模式是在两个滑移面上有两 列不同符号的刃型位错,在切应力作用下发生相对移动,可能彼此合并而 销毁成为难以移动的长形孔穴。 裂纹形核只是脆性断裂的必要条件,而断裂实际上是决定于裂纹的扩 展速度，成核以后只有在高速传播速度下,才能产生脆性断口,而不至因 位错在滑移面的普遍移动而产生显著的塑性变形。
为了形象地描述位错滑动的模型和晶体塑性变形的滑移机理,可以把晶体中两层相邻的原子平面通俗的比喻成为两张重叠的地毯.欲使上 面的地毯在下面的地毯上整体滑移是很困难的,需要一个很大的切向力.然而一旦在上层地毯上形成一个褶皱,则只要加很小的切向力就能很容 易地把这个褶皱推向前进.当这个褶皱从一端到达地毯的另一端时,就可使上层地毯对下层地毯有相当褶皱宽度的移动。此“褶皱"就是位错. 而这一特殊类型的“褶皱”就叫做一个刃型位错.当加晶体上的力达到足以使“褶皱”移动时,此“褶皱”即位错线就沿着一定晶面相继运动, 从而引起晶体的宏观滑移,位错线运动扫过的晶面就是滑移面.可见刃型位错在晶体中的运力类似于一个“褶皱”越过地毯,因此,塑性变形可 认为是这些位错线的产、运动和消失的过程。
作用在工件上的载荷,在工件与刀具接触的表面上达到最大值,因而可以设想第一个新位错开始从弗兰克一瑞德(F-R)表面源产生,在刀具 前刀面的挤压下,位错密集起来,并沿剪切面扩散.塑性变形和破环的过程中,位错发展的不同阶段直接与新位错的增殖、位错的运动、位错在 障碍处的停滞和相互作用有关,而位错结构的特征又由温度、变形程度、晶格类型、缺陷能量和杂质的存在等因素来确定,所以切削的位错分 布必须考虑上述诸因素,并且引人相应地概念,如:位错密度、位错生长强度,位错运动的有效速度、硬化深度和克服障碍的概率等。
1934年Taylor，Orowan 和Polanyi几乎同时提出了 晶体中位错的概念，他们认为，晶体实际滑移过 程并不是滑移两边的所有原子都同时作刚性滑动， 而是通过在晶体存在着的称为位错的线缺陷来进 行的，位错在较低应力的作用下就开始移动，使 滑移区逐渐扩大，直至整个滑移面上的原子都是 先后发生相对位移。
2切削过程中的硬化机理 3金属断裂的位错机理
1切削区域中塑性变形的位错机理
金属塑性变形的主要方式是滑移,滑移就是晶体中相邻部分之间沿一定晶面在一定晶向上的相对移动,这些晶面与晶向通常都是原子密集 面和密集方向,称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和与其相关的滑移方向称为滑移系统,滑移面和金属表面的交线就是在塑性变形金属表面上 所观察到的台阶痕迹,称为滑移线或滑移带。
金属切削过程中,切削层的金属经过塑性变形而变为切屑,切削前金属处于退火状态,位错的分布是杂乱的,随着切削中塑性变形的发展.位 错密度大大增加,而新产生的位错分布是有序的,并沿着确定的滑移平面塞积.因此可以由滑移带的取向、长度和密度来研究切削过程中塑性变 形的特征。切削过程中,在刀具运动前方的金属中形成超前硬化区,其长度比已加工表面下形成的硬化层深度大2~3倍。
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位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学 中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部 不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属 于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部 分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学 性能，具有极大的影响。“位错”这一概念最早由意大 利数学家和物理学家维托·伏尔特拉（Vito Volterra）于 1905年提出。
02.位错的基本类型和特征
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位错的基本类型