剪切带的形成，不再让人头疼

材料牛注：我们的生活中，金属制品无处不在，但你知道吗？金属在加工过程中，有一个不可忽视的问题，那就是剪切带的形成。目前一个研究小组发明了一种方法来抑制剪切带的形成，从而提高金属品质。下面，让我们详细了解一下他们是如何解决这一让人头疼的问题吧！一个国际研究小组目前发明了一种新方法，它能在金属制造过程中控制 “剪切带”的形成并探究其形成机理。

普渡大学工业工程专业教授Srinivasan Chandrasekar及材料工程专业教授Kevin P. Trumble表示，在金属的高速加工中往往会出现剪切带现象。这是一个在制造过程中长期存在的问题，因为在生产加工先进的合金如钛、镍和高温航空材料以及生产金属箔片时，它阻碍了金属表面的生长从而影响产物质量。“在对剪切带形成原因有一个基本了解的基础上，这项新的工作有望推动金属制造与加工的发展。” 普渡大学的材料处理和摩擦学中心主任Chandrasekar说道。

普渡大学博士后研究助理Koushik Viswanathan表示，通过研究发现剪切带的形成通常可以分为两个阶段。首先，随着金属被切割，产生一个“弱界面”，然后在界面上形成剪切带，表现为一个锯齿形图案。“重要的是，我们已经学会了如何用一个简单的方法来抑制剪切带的形成。”该论文的作者、美国德州农工大学助理教授Dinakar Sagapuram说道。

剪切带形成的现象存在于许多情况下，小到近原子尺度的“金属眼镜”或毫米级的金属加工，大到地壳移动时岩石形成的公里尺度上的缺陷。

剪切带的“位移曲线”类似于流过界面的液体中产生的“位移”。由于这种相似性，研究人员运用分析粘性流体流动的数学方程来分析剪切带的形成。类流体的行为是难解的，因为目前还不清楚施加的热量能否使得正在处理的金属成为真正的液体。Viswanathan解释说：“这些剪切带间产生的温度从几百摄氏度到几千摄氏度不等，所以这确实是一个未知数。”

形成剪切带的第一阶段出现只有几微秒。“形成剪切带的第二阶段出现在金属沿着薄弱界面滑动过程，这个阶段较为缓慢，且表现出让人惊讶的类粘性行为。”Sagapuram说道。

该抑制方法的工作原理是添加一个楔形模具并将之与切削工具相对应，在这两者之间通过引导形成金属芯片。该模具限制了金属的均匀形变，并消除粘滞滑动相。由于该方法的简单易行，目前在工业上被广泛使用。材料工程教授Chandrasekar认为，该项工具可以把它看成切割金属和限制形变两个部分。

研究人员通过事先刻蚀金属形成标记来对金属变形做了深入的研究，他们发现随着金属被加工，在金属上形成的微标记显示出了大锯齿状变形。“这些标记能揭示金属是否发生了均匀形变，或者在剪切带附近发生形变的程度。”Trumble说道。

形成的剪切带为平行的强烈变形的条纹状，可能导致金属碎裂成类似粉末大小的碎片。如钛和镁等的金属具有六方紧密堆积结构，特别容易导致剪切带的形成。但是，黄铜、铜、钢和高温合金等并不具备这一结构的金属依旧有可能形成剪切带。

原文链接：Researchers Control ‘Shear-band’ Defects in Manufacturing Processes.

文献链接：Geometric flow control of shear bands by suppression of viscous sliding.

本文由编辑部杨洪期提供素材，应豆编译，点我加入材料人编辑部。