块体非晶合金是一种具有非晶态组织的特殊合金，与传统晶态合金相比，具有高硬度、高强度、高弹性、耐腐蚀性和耐磨性等优异性能，在汽车、电子、航空、军事、运动装备、医疗器械等领域有广泛的应用前景。压铸成形是工业化生产块体非晶合金零部件的主要方法，但切削加工是提升铸件尺寸精度和表面质量的必要步骤。在切削加工中，切屑变形显著影响切削功率、切削力波动、刀具寿命以及加工质量等，因此研究非晶合金的切屑变形行为对于提升其加工效率和加工质量十分重要。

切屑变形是一个非常复杂的动态热力耦合过程。切削过程中，材料承受着极高的变形速率（103–106s-1）和变形温度（熔点的0.16-0.9倍）。此外，工件独特的约束条件和应力状态也使得材料的切削变形行为区别于传统力学测试。对于传统晶态合金的切削变形特征和变形机理，研究人员已经进行了大量研究；而块体非晶合金是一类新型工程材料，其切屑变形特征和潜在变形机理的研究相对较少。

近日，机械制造知名期刊JournalofMaterials Processing Technology 报道了广东工业大学王成勇教授课题组的在非晶合金切削加工方面的最新研究。

课题组采用正交切削实验，研究了Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金的切屑形貌特征及其与切削力波动的关系；分析了剪切屈服强度、温度和变形速率之间的关系；基于切屑-工件分离特征和切屑断裂特征，揭示了非晶合金切屑的形成机理，并计算了切屑形成过程中的能量损耗。实验结果表明，非晶合金切削产生锯齿状切屑。每个锯齿单元的变形包括单一主剪切区和大量二次剪切带的形成，其中主剪切区的断裂是切屑呈锯齿状的主要原因，而二次剪切带的形成是材料变形抗力提升的结果。在极低切削速度下（~0.03m/s），非晶合金主剪切区也会承受极高的切削温度(>995 K)和变形速率(>2400 s-1)。通过观察切屑根部形貌发现，锯齿状切屑的形成归因于切屑根部裂纹与切屑自由表面裂纹沿主剪切区相向扩展，最终导致主剪切区断裂。通过计算切屑变形中的能耗可知，大量切屑变形能消耗于主剪切区断裂产生锯齿；增大切削深度会增大主剪切区的断裂能，而提升切削速度会导致刀具-切屑接触区的摩擦能显著增大；切屑变形过程中仅有不到20%的总能量消耗于产生已加工表面。该研究发现对于提升非晶合金的切削加工技术非常有帮助。

图1 正交切削实验装置图  

图2非晶合金锯齿状切屑

图3 非晶合金切屑根部微观形貌

图4 非晶合金锯齿切屑断裂示意图

图5 应力-应变速率-温度相互关系     

图6 切削条件对切屑变形能量分布的影响

相关研究成果最近发表在Journal ofMaterials Processing Technology上。  

文章题目：Investigation on chip deformation behaviors of Zr-based bulkmetallic glass during machining  

文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116404