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近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授張璧團隊在難加工材料超高速加工領域取得研究進展，相關論文以“Surface integrity and material removal mechanisms in high-speed grinding of Al/SiCp metal matrix composites”為題發表在機械和制造工程領域期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture。研究團隊采用了最高線速度達到307 m/s的超高速磨削方式解決鋁基碳化硅復合材料在常規加工過程中發熱嚴重和表面完整性差的問題，結合多尺度表征手段揭示了鋁基碳化硅中兩組分在高磨削速度下的材料去除機理和亞表面損傷演化規律，提出了利用超高速磨削降低鋁基碳化硅中兩組分性能差異的方式來提高工件表面完整性，以期實現復合材料的均質化去除。
鋁基碳化硅復合材料具有高比強度和比剛度，優異的耐高溫性和耐腐蝕性能，在航空航天和汽車電子等領域應用十分廣泛。然而，該材料的兩組分（鋁合金基體和碳化硅顆粒增強相）之間的硬度和塑性等性能差異巨大，在常規加工中伴隨著塑性去除和脆性斷裂兩種材料去除方式，因此往往發熱嚴重而且表面缺陷和亞表面損傷非常嚴重。
為了解決鋁基碳化硅復合材料的加工難題，研究團隊嘗試采用超高速磨削（圖1）的方式對其表面生成和亞表面損傷演化規律進行多尺度表征。與常規加工相比，超高速磨削過程是一個更加復雜的過程，其中涉及溫度效應，尺寸效應以及應變率效應的相互作用。這些影響因素在磨削過程中無法直接測量，但是可以通過工件材料的微觀組織變化反映這些因素的作用。
研究發現，超高速磨削會降低工件亞表面塑性流動層深度和鋁合金晶粒細化程度，抑制鋁基碳化硅中鋁合金基體的塑性變形（圖2），導致塑性組分塑性降低，這說明應變率效應在鋁合金基體的變形過程中起到了主導作用。同時，研究團隊發現磨削亞表面脆性碳化硅顆粒增強相中的位錯密度提高（圖3），表明塑性增強，這說明尺寸效應在碳化硅顆粒增強相的去除過程中起主要作用。因此，超高速磨削有助于降低塑性鋁合金基體的塑性，同時提高脆性碳化硅顆粒增強相，有利于降低兩組分之間的性能差異，以實現復合材料的均質化去除（圖4）。
南方科技大學和香港理工大學聯合培養2019級博士生郭塞為論文第一作者，張璧和香港理工大學教授張志輝為通訊作者，南科大為論文第一單位。此外，南方科技大學機械與能源工程系博士后盧守相也為該論文作出了重要貢獻。該研究得到了深圳市孔雀團隊，深圳市跨尺度制造力學重點實驗室以及南方科技大學分析測試中心的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695522000578?via%3Dihub
豫公網安備41019702003646號