机械加工过程中的材料损伤研究

于桂平

摘 要：材料在进行机械加工时或多或少会出现一些裂痕、材料的光洁度下降、材料变形等材料损伤，这导致工件内部产生一些残留材料，直接影响产品的进一步加工生产和使用。因此，必须明确材料在机械加工过程中常见的损伤类型，主要包括弹塑性变形及损伤和韧性损伤。对此，有必要准确确定材料内部结合与变形之间的关系，以及在高温环境下的相变热传导和弹塑性热传导效应，从而准确控制机械加工的温度、工艺等影响因素，以此降低机械加工中的材料损伤。

关键词：材料损伤;机械加工;韧性损伤;弹塑性变形

随着经济的发展，机械加工业得到了长足发展，然而当前制造业当中对材料进行机械加工时或多或少的会出现一些损伤，如材料表现出现裂痕、材料的光洁度下降、材料变形等现象，这不仅产生了材料的浪费，还会使得一些工件内部产生一些残留材料，对产品的进一步加工生产产生了重要的影响，产品质量也得不到保障，企业的经济效益进一步的受影响。因此有必要对当前机械加工过程中的材料损伤进行分析，探讨材料在加工过程中变形的原因，从而提出相关建议。

1 机械加工过程中常见的材料损伤

通过查看相关文献及走访企业，发现在对材料进行机械加工时，最常出现材料的弹塑性损伤和韧性损伤问题。

1.1 材料的弹塑性变形及损伤

材料在机械加工过程中产生弹塑性变形及损伤是最为常见的问题之一，通常金属材料最容易在机械加工过程中产生弹塑性变形和损伤。这个问题一直以来备受工程界的广泛关注，包括一些泵类产品在机械加工中也会导致这个问题。而材料的弹塑性变形和损伤最常的表现圆柱试件拉伸颈缩问题和含切口圆柱拉伸试件切口前沿的损伤。

弹塑性的韧性金属材料在机械加工过程中最常见的问题就是圆柱试件拉伸颈缩问题，它是一种基本的力学现象与力学问题。从整体分析来看，首先应该分析材料自身的结构，材料在机械加工过程中的整体效果很大程度上受到材料自身结构的使用效果和结构整体应用的影响，如金属材料在机械加工过程中就容易产生这个问题。在机械加工工作中，这个问题还没有找到有效的解决办法，解决这个问题的技术尚处于初期发展阶段。

含切口圆柱拉伸试件切口前沿的损伤是弹塑性变形，是损伤的另一种重要显现形式。当对材料进行机械加工时，材料处于拉伸负荷状态，此时材料试件的开口处周边会产生巨大应力集中。通常材料在进行机械加工时，会受到三向应力状态，此时，三个应力都不等于零，其中最大剪应力就容易引起材料损伤。面对含切口圆柱拉伸试件切口前沿的损伤问题，一定要认真调查材料内部的应力分布和受力分布情况，同时开展多次试验，并记录相关试验数据，才能找到它的真正损伤原因。

1.2 韧性损伤

韧性是指材料受到使其发生形变的力时对折断的抵抗能力，韧性损伤为韧性断裂前的微小变化。材料在机械加工过程中还容易产生韧性损伤，如材料内部存在微裂痕或者材料上存在的微孔洞在加工过程中就容易产生韧性损伤。这种损伤表现为球形孔洞损伤、椭圆形孔洞损伤。球形孔洞损伤是材料机械加工中常见的一种韧性损伤。由于材料本身会存在一些细微的孔洞，这些孔洞的大小、形状分布往往没有规律，因此，难以快速高效的对孔洞进行快速分析，这就导致要测量这些孔洞需要耗费大量的时间和金钱，对此，许多企业采用局部平均化对孔洞进行测量。除了球形孔洞损伤外，还存在椭圆形孔洞损伤，随着机械加工技术的发展，材料的损伤正逐步减少，但是椭圆形孔洞损伤仍然存在，主要由于在材料加工过程中，生产和制作零部件时需要利用机器压实材料内部中存在的各种类型的孔洞，通过在处理椭圆形孔洞时，需要从整体上來分析孔洞的形态，确保空白的有效闭合，避免将来发展成裂痕等问题。

2 机械加工过程中材料损伤的形成分析

对于材料在机械加工过程中的损伤问题，最早很多人简单认为是力学原因造成的损伤，但是随着热力学的发展，人们开始认识到除了力学本身，热学也会对材料损伤产生影响。主要是在高温作用下，热力问题会对材料产生很大影响。

2.1 热力学对固体材料的应力影响

从固体的构形和变形的几何特征来看，二者存在较大的差距，所占的空间并没有固定，因此，从固体系统构成过程看来，固体的构形与变形之间存在较大差异。要明确变形对变量的影响，就一定要明确固体的每个质点所占的位置及所占用的空间，然后根据其位置变化进行构形，对相应数量的质子的变形情况进行标量，从而通过位置来确定应变张量和固体变形之间的关系。对此，可以借助于对称张量来计算固体变形和张量变化的相关性。

热力学是从宏观角度分析物质的热运动性质和规律，从能量转化角度来分析物质的热性质，它能够有效应解材料在机械加工过程中的变形和损伤的问题。固体材料在机械加工过程中是一个连续的过程，会对材料产生一定的表面力和张力，表面力是通过物体接触而产生和传递的一种作用力，他并不是只作用于物体表面，而是广泛存在于固体内部，这种表面力的测量跟测量的方向和测量的过程高度相关。

从热力学角度来看，通过计算固体不可逆热力学状态的基本状态变量来分析材料内部的热力动作，能够准确地分析出材料在机械加工制作过程中的损伤原因。

2.2 主要的材料损伤的形成分析

随着机械加工工艺技术的发展，材料加工中的损伤已经有一定减少，然而仍然不能避免，材料的机械加工难免受到周边环境的影响，从而难以避免材料损失等缺陷产生。无论是微观缺陷和宏观缺陷，都会影响到材料的加工和使用性能，同时也会对材料的韧性和结构强度产生一定的影响。

2.2.1 材料韧性断裂形成分析

材料的韧性断裂是指材料在经过大量弹塑性变形后而发生的断裂现象。其主要特征表现为发生了明显的宏观性变形，如弯曲、过量伸长、过量鼓胀等。断口的尺寸也发生了明显的改变。材料在机械加工过程中容易产生损伤和宏观裂痕，在此基础上不断拓展，最后就会形成韧性损伤，甚至韧性断裂，也称之为塑形断裂。这种断裂通常是对材料进行拉伸而产生的。通过对韧性断裂进行详细的分析和研究，发现材料在破坏过程中，往往由于内部损伤而产生了孔及气体形状，再不断扩展而最终形成了断裂。

2.2.2 球形孔洞损伤的形成分析

由于材料本身存在大量的大小形状都不规则的孔洞，因此，在对材料进行机械加工之前，必须对这些孔洞进行详细分析。对此，大部分的企业采用的是有限元分析的方法来解决，鉴于研究过程往往会耗费大量的费用，而最后必须要这个数据结果，却没有系统性的方法和公式来对其进行分析和研究，所以不能快速得到一个有效的方法，最后只能对一个局部区域进行分析，采用平均法来进行研究。如在对金属材料进行机械加工时，就容易形成韧性金属材料，这个材料中包含了很多粒子，在对材料使用过程中，孔洞就容易出现不牢靠的问题，随着材料形体的增大，这些孔洞会固定出来粒子，随着粒子的不断增大，就容易形成空洞，就容易引发材料断裂。孔洞形成形和伴随着材料的不断演变是材料断裂损伤的重要因素。对此，可以构建非线性机体材料，设计相应的材料模型，根据测算出来的材料结构强度，来对孔洞的大小和损伤情况进行详细的分析。

3 计算材料结构变化时需考虑的其他因素

在了解了材料损伤的机理和规律后，就可以有针对性地计算材料结构变化与材料损伤的关系，还需要了解材料本身的相变热传导和弹塑性热传导对材料结构变化产生的影响。

3.1 考虑相变热传导引入对计算材料结构变化的影响

根据热力学原理，要减少材料在机械加工过程中的损伤，就必须详细了解材料的结构与变形之间的关系，对此可以利用相变热传导方法对相关问题进行计算。变相热传导可以准确计算材料在机械加工过程中内部的结构的变化，当中要注意必须在计算时应该考虑到材料经过高温加热作用后要经过的连续冷却过程，这个过程发生的变化必须考虑在内。需要充分了解在高温加热过程中材料内部是否会热生产。在对材料进行高温机械加工过程中会出现材料因变形而产生的内热。因此，在利用相变热传导时，应该充分考虑材料变相和材料內热之间的关系，明确材料在变形过程中是否会产生内热，才能有效控制材料的温度，从而减少加工过程中的材料损伤。

3.2 考虑弹塑性热传导对材料结构变化的影响

材料在进行机械加工时，除了会产生变相热传导现象外，还可能产生塑形热传导现象。材料在高温环境下进行机械加工后会产生结构上的变化，当中可能会出现弹塑性热传导的变化，它是指材料经过机械加工后可能产生弹塑性方面的材料损伤，高温条件下的机械加工会对材料内部结构进行破坏，从而引发弹塑性损伤。对此，有必要对材料的弹塑性热传导进行计算，减少因弹塑性热传导而产生的材料损伤。

4 结束语

在对材料进行机械加工过程中，材料损伤是不可避免的，这不仅浪费材料，更重要的是产生的残留材料会对后续材料的使用和加工产生不良影响，因此，应该尽量减少材料损伤。从热力学角度来看，材料损伤受到材料本身的相变热传导、弹塑性热传导、加工工艺等因素的影响，要想减少材料损伤，就必须对材料进行构形和变形分析，弄清楚材料变形对其质点变量的影响，明确在特定的高温环境下其相变和弹塑性与材料内热之间的关系，通过实验找到最佳的加工环境，包括控制机械加工的温度、工艺等，从而降低机械加工中的材料损伤。

参考文献：

[1]胡烨，陶小培.机械加工过程中机械振动的成因及解决措施[J].时代农机，2018，45（01）：41+43.

[2]郑森，阚英男，刘滨硕.机械加工过程材料损伤及热力学行为的研究[J].内燃机与配件，2017（24）：60.

[3]陈鹏.轿车变速箱齿轮加工自动生产线总体方案及关键技术研究[D].重庆大学，2017.

[4]张航.后期热处理对陶瓷复合材料机械加工损伤的影响[J].中国陶瓷，1998（3）：14-17.

[5]刘敬远.硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动压和温度研究[D].大连理工大学，2009.