剪切帶的形成，不再讓人頭疼

材料牛注：我們的生活中，金屬制品無處不在，但你知道嗎？金屬在加工過程中，有一個不可忽視的問題，那就是剪切帶的形成。目前一個研究小組發明了一種方法來抑制剪切帶的形成，從而提高金屬品質。下面，讓我們詳細了解一下他們是如何解決這一讓人頭疼的問題吧！一個國際研究小組目前發明了一種新方法，它能在金屬制造過程中控制 “剪切帶”的形成并探究其形成機理。

普渡大學工業工程專業教授Srinivasan Chandrasekar及材料工程專業教授Kevin P. Trumble表示，在金屬的高速加工中往往會出現剪切帶現象。這是一個在制造過程中長期存在的問題，因為在生產加工先進的合金如鈦、鎳和高溫航空材料以及生產金屬箔片時，它阻礙了金屬表面的生長從而影響產物質量。“在對剪切帶形成原因有一個基本了解的基礎上，這項新的工作有望推動金屬制造與加工的發展。” 普渡大學的材料處理和摩擦學中心主任Chandrasekar說道。

普渡大學博士后研究助理Koushik Viswanathan表示，通過研究發現剪切帶的形成通常可以分為兩個階段。首先，隨著金屬被切割，產生一個“弱界面”，然后在界面上形成剪切帶，表現為一個鋸齒形圖案。“重要的是，我們已經學會了如何用一個簡單的方法來抑制剪切帶的形成。”該論文的作者、美國德州農工大學助理教授Dinakar Sagapuram說道。

剪切帶形成的現象存在于許多情況下，小到近原子尺度的“金屬眼鏡”或毫米級的金屬加工，大到地殼移動時巖石形成的公里尺度上的缺陷。

剪切帶的“位移曲線”類似于流過界面的液體中產生的“位移”。由于這種相似性，研究人員運用分析粘性流體流動的數學方程來分析剪切帶的形成。類流體的行為是難解的，因為目前還不清楚施加的熱量能否使得正在處理的金屬成為真正的液體。Viswanathan解釋說：“這些剪切帶間產生的溫度從幾百攝氏度到幾千攝氏度不等，所以這確實是一個未知數。”

形成剪切帶的第一階段出現只有幾微秒。“形成剪切帶的第二階段出現在金屬沿著薄弱界面滑動過程，這個階段較為緩慢，且表現出讓人驚訝的類粘性行為。”Sagapuram說道。

該抑制方法的工作原理是添加一個楔形模具并將之與切削工具相對應，在這兩者之間通過引導形成金屬芯片。該模具限制了金屬的均勻形變，并消除粘滯滑動相。由于該方法的簡單易行，目前在工業上被廣泛使用。材料工程教授Chandrasekar認為，該項工具可以把它看成切割金屬和限制形變兩個部分。

研究人員通過事先刻蝕金屬形成標記來對金屬變形做了深入的研究，他們發現隨著金屬被加工，在金屬上形成的微標記顯示出了大鋸齒狀變形。“這些標記能揭示金屬是否發生了均勻形變，或者在剪切帶附近發生形變的程度。”Trumble說道。

形成的剪切帶為平行的強烈變形的條紋狀，可能導致金屬碎裂成類似粉末大小的碎片。如鈦和鎂等的金屬具有六方緊密堆積結構，特別容易導致剪切帶的形成。但是，黃銅、銅、鋼和高溫合金等并不具備這一結構的金屬依舊有可能形成剪切帶。

原文鏈接：Researchers Control ‘Shear-band’ Defects in Manufacturing Processes.

文獻鏈接：Geometric flow control of shear bands by suppression of viscous sliding.

本文由編輯部楊洪期提供素材，應豆編譯，點我加入材料人編輯部。