摘要
γ-TiAl合金因其有密度低、强度高、抗氧化性能好、比弹性模量高等优异特点，使其成为航空航天、舰船、特种发动机等行业领域重要的能替换其他超合金材料的轻质钛基材料之一。但是由于γ-TiAl合金的室温脆性使其在常温下的精密加工非常困难，即使在精度上满足了要求，也难免在亚表面产生缺陷或者裂纹以及残余应力，从而减少其预期服役寿命甚至造成事故。同时材料表面的粗糙度也会影响加工质量，例如磨损刀具或进一步引入不利的缺陷等。为此，需要从纳米尺度揭示种种情况下缺陷的演化规律和残余应力产生机理，由于实验条件和量子现象的限制，尚不能对切削过程和结果进行有效的观察和表征。分子动力学方法能够通过模拟的方式捕获材料结构和原子轨迹的变化，因此本文采用分子动力学方法，研究了粗糙表面对γ-TiAl合金纳米尺度切削过程中，亚表面缺陷、材料去除以及力学性能的影响。主要研究内容包括如下几个方面： (1)利用分子动力学软件和Python脚本建立具有规则粗糙表面的单晶γ-TiAl合金纳米加工模型，分别在不同的纹理密度下对材料进行切削。同时采用OVITO软件观察加工前后材料的表面形貌、亚表面缺陷演化和切屑的去除。结合刀具的切削力变化趋势，综合讨论了粗糙表面对切削响应的影响。 (2)针对剪切和挤压切削模式和粗糙表面的耦合关系，研究了不同参数下切削力、摩擦系数、切屑形态、亚表面缺陷和表面质量的变化规律。观察发现粗糙表面在剪切模式下会影响剪切滑移带的产生，在挤压模式下则会影响亚表面层错的分布。结合缺陷分析方法和缺陷分布将切削过程的相变分为接触诱导非晶化和应变诱导相变两种类型，以此对加工过程进行分析。 (3)在上述研究的基础上，使用Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数生成了贴近实际的随机粗糙度模型。划分了不同的粗糙度，尝试使用接触诱导非晶化和应变诱导相变理论来分析随机粗糙度模型中粗糙表面对切削的影响，得到不同的切削深度和粗糙度影响接触诱导非晶化和应变诱导相变区域的比例，发现随着切削深度的增大，粗糙度对相变机制的影响会逐渐降低。
NETL