《Journal of Alloys and Compounds》：Microfracture mechanism of longitudinal torsional ultrasonic-assisted milling of 49Fe-49Co-2V alloy: experiment and MD simulation
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本研究针对49Fe-49Co-2V合金传统加工中表面破碎及质量差的问题，结合分子动力学模拟与纵向扭转超声辅助磨削（LTUM）实验，揭示超声振动抑制脆性断裂的机制，包括促进塑性变形、激活位错运动，使断裂表面长度减少84%，材料去除率提升，为高精度工业应用提供新见解。
高国富|张炳阳|马文斌|李瑞康|王浩翔|向道辉|马俊进
河南理工大学机械与动力工程学院，焦作，454003，中国
摘要
49Fe-49Co-2V软磁合金在传统加工过程中面临表面破碎和加工质量差等问题，这严重限制了其使用效率。纵向扭转超声辅助铣削（LTUM）作为一种有前景的技术，被提出用于解决这些挑战。本研究结合分子动力学（MD）模拟和LTUM实验，系统研究了超声振动对合金微裂纹机制的多尺度影响。结果表明，超声振动通过增强塑性变形和激活位错运动来抑制脆性断裂，使断裂表面长度减少了84%。引入的超声能量促进了切削区域的原子塑性流动，表面原子的最大位移达到了44 ?，从而提高了材料去除率。高频超声冲击有助于位错湮灭，使平均位错密度降低了25%。这一机制减轻了位错堆积和局部应力集中，有效延缓了微裂纹的萌生和扩展。这些结果为49Fe-49Co-2V合金的微观去除机制提供了新的见解，提升了其在高精度工业应用中的潜力。
引言
49Fe-49Co-2V合金具有优异的软磁性能，包括高饱和磁感应强度、高居里温度和低磁损耗[1]，已被广泛应用于精密仪器制造、航空航天及其他高性能领域[2]。该合金的脆性主要源于其晶体结构中存在的有序B2相[3]，这种内在脆性常常导致微裂纹形成和表面剥落[4]。在实际制造过程中，这种脆性极大地限制了合金的大规模工业应用[5]。49Fe-49Co-2V合金的传统加工通常需要经过多个后处理步骤，包括热处理[6]、固溶处理和退火处理[7]，以平衡加工效率与材料的软磁性能，但这限制了加工效率和表面质量。因此，开发创新高效的加工方法对于满足不断发展的工业需求至关重要。超声振动辅助铣削（UVAM）由于能够减少残余应力和提高表面硬度[8][9]，逐渐成为抑制裂纹扩展和改善脆性材料力学性能的有效方法。
UVAM作为一种节能的精密制造解决方案受到了关注[10][11]。高等人[12]研究了UVAM加工钛合金时的刀具磨损情况，发现UVAM下的磨损率降低了约38.4%，显著减少了刀具磨损。根据当前的研究和发展趋势，UVAM已从一维加工发展为三维加工（如纵向扭转超声辅助铣削（LTUM）和旋转超声椭圆铣削（RUEM）[13]。特别是过去十年中，LTUM和RUEM的快速发展进一步提高了表面质量和材料去除率。黄等人[14]引入了局部分离的连续高速超声振动切削技术，降低了切割Inconel 718时的切削温度和切削力。向等人[15]发现，使用PCD刀具的LTUM能有效减少缺陷并提高SiCp/Al的加工质量。张等人[16]通过旋转超声椭圆铣削（RUEM）镍基超合金的实验发现，RUEM比传统铣削（CM）能产生更大的塑性变形和残余压应力。
分子动力学（MD）是一种基于原子尺度的数值模拟方法[22]，用于研究49Fe-49Co-2V合金，但从微裂纹萌生到断裂的演变过程仍需进一步探索。断裂过程通常包括微裂纹萌生和裂纹扩展，当裂纹达到一定长度时会导致工件最终失效[17]。BCC金属材料中的微观缺陷（裂纹）是裂纹扩展至断裂过程的关键因素[18]。在49Fe-49Co-2V合金的加工过程中抑制断裂对于确定组件的使用寿命至关重要[19]，因此深入研究LTAM中的微观断裂机制对于提高合金的疲劳寿命和扩展其应用范围具有重要意义。李等人对氮化镓晶体和GaN晶体的激光辅助研磨[20]及双磨粒研磨[21]进行了分子动力学模拟，以加深对研磨过程中磨料耦合引起的损伤积累和材料去除的理解。对于Fe-Co合金等脆性金属，许多研究者关注了制备方法对合金性能的影响，例如激光熔覆[22]对高熵合金摩擦腐蚀性能[23]的影响。然而，关于超声振动加工对合金断裂影响机制的研究较少。
本研究将MD模拟与49Fe-49Co-2V的LTUM相结合，采用共聚焦激光显微镜（CLM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和透射电子显微镜（TEM）等技术，观察超声振动对49Fe-49Co-2V合金表面形貌和微观晶体结构的影响，以及位错演变规律和裂纹扩展机制。本研究详细探讨了49Fe-49Co-2V合金在超声振动下的纳米尺度切削机制，为该合金在高精度工业领域的应用提供了重要见解。
部分内容摘录
超声振动微裂纹机制
49Fe-49Co-2V合金的断裂通常由微观缺陷（如微裂纹和未熔合的空洞）引起[24]。研究超声辅助切割过程中49Fe-49Co-2V合金的断裂机制需要开发一种纳米切削模型，该模型基于传统机械切割，并施加高频振动使切削刃产生纵向扭转运动。
纳米切削的表面去除机制
通过MD模拟分析（图5）研究了传统纳米切削（CN）和纵向扭转超声辅助铣削（LTUN）的表面形貌，以进一步探讨材料去除机制。
图5展示了不同振幅和切削参数下CN和LTUN的原子位移情况。在10 ?的切削深度下，CN和LTUN的变形能力没有显著差异。CN处理后的表面保持了光滑特性。
结论
本研究建立了49Fe-49Co-2V的MD切削模型，并从原子尺度详细分析了纵向扭转超声辅助铣削（LTUNM）的表面去除机制。基于MD模拟和LTUM实验，利用CLSM、XRD、SEM和TEM研究了超声振动对49Fe-49Co-2V合金位错演变和微裂纹的影响机制。
作者贡献声明
李瑞康：方法论、研究设计、概念构建。王浩翔：形式分析、数据整理。向道辉：指导、概念构建。马俊进：指导、方法论。高国富：撰写-审稿与编辑、方法论、形式分析、数据整理。张炳阳：撰写-初稿、软件开发、形式分析、概念构建。马文斌：方法论、研究设计、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52275419）的支持。
