导文：本文基于SEM原位测试实现了多晶高温合金的单晶内部和跨晶界的可控材料去除。清晰展示了完全剪切去除（正交切削）概念下基于不同晶粒朝向的切屑形貌和切削力的变化过程，明确了在为纳尺度下晶体朝向与晶界在实际加工中的重要作用。借助TEM， TKD技术对材料去除后的亚表层揭示了，当前研究条件下有趣的晶体亚表层二维旋转、变形位错渐进式累积和高角度晶界的形成阀值。跨晶界研究，首次明确阐释了微纳材料去除中高角度晶界的跨晶界突变效应、晶界弯曲，和受力变形后的施密特因子优先取向规则。为晶体材料变形机理、微纳材料去除及超精密加工研究提供了强有力的数据支撑和科学指导。

材料去除后的表面行为和特性与相应部件的工作性能密切相关，特别是对于具有高可靠性和高安全性服役（航空航天、核工业、医学等）要求的行业，理解并掌握相应材料变形机理显得更加重要。另外，随着工件质量要求和加工精度的提高，加工表面的性能越来越取决于材料在微纳尺度的材料去除表现。在研究微纳尺度下不同晶粒朝向、晶界和滑移带等特征开始变的不可忽略，因而对象材料应该被认为具有较大的非均匀性。现阶段，针对微纳尺度材料去除的研究主要基于宏观经典剪切理论，所以，该理论在处理微纳尺度材料去除时便显现出一定局限性。然而，现阶段并没有针对微纳尺度下材料变形机理以及与晶体朝向、晶界等关系的准确揭示。

此外，目前针对材料去除性能的研究，主要基于微纳划痕、单向拉伸或压缩等简单的变形研究。该类研究的确可以被认为与微纳切削变形相关，但是由于其受力状态的简单，并不能正确和精确反应实际微纳切削中的立体受力变形，且无规则切屑的形成。基于，现有手段的不足，使得难以开展实际微纳去除中材料剪切、切屑形成以及晶界作用等方面的准确研究。

作为另外一种研究材料在微纳尺度去除中的方法，仿真技术已经被各方面开展了较多的研究，例如分子动力学、原子尺度仿真、晶体塑性有限元等常被应用于从位错、晶体重结晶，晶粒大小变化的角度研究较复杂载荷状态的材料行为。但是，截止目前，尚未有复杂载荷状态（微纳切削）下的晶体变形机制的直接现象观察和数据支撑，即尚缺乏对于复杂材料去除状态下的晶体内部及之间反应的实验证明和深入理解。该现状导致现有仿真和模型研究中的输入和条件等均基于未完全考虑实际材料反应的假设，使得这类研究在一定程度上缺乏实验验证，阻碍了其进一步发展。

很明显，针对多晶材料晶体内部及晶界之间在复杂微纳尺度材料去除状态下的相应材料变形机理研究显得极为重要和迫切。在此，英国诺丁汉大学（The University of Nottingham）联合瑞士联邦国家材料实验室EMPA材料微纳结构中心，研究并揭示了在多晶体材料微纳尺度去除过程中尚未明晰的晶体内部及晶界区域的变形机制和有趣现象。相关论文近期发表在Acta Materialia 上，第一作者徐东东博士（原英国Rolls Royce UTC in Manufacturing 中心博士、研究员，现就职于同济大学），通讯作者为Dragos Axinte 教授。研究成果获得欧盟玛丽居里学者项目（H2020-MSCA-COFUND-2014：665468；EMPAPOSTDOCS-II：754364）， 英国EPSRC（No: EP/R025282/1）资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421003098

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116929

该研究明确展示了晶粒朝向变化和晶界的存在对于微纳材料去除中切屑形态的形成差异（图1），以及切削抗力的变化和在晶界区域的波动。

图1 在单晶体内部和跨晶界微纳材料去除中被去除材料在微纳刀具前段的堆积现象和差异（晶粒A和晶粒B）。

下图（图2）中展示了在材料去除中由于刀具前端材料堆积及亚表层变形抗力所导致的切削力的提升；以及亚表层高角度晶界（HAB）的渐进式显现。另外，有趣的是，在该实验状态先，亚表层变形后，变形层晶粒朝向仅在CD-ND平面旋转（正交切削二维平面），而非三维运动。

图2 单晶体内部微纳剪切材料去除后的晶体朝向变化和亚表层Misorientation分布状况。施加载荷过程和切削力变化（a）；FIB薄片提取（b）；不同参考方向的TKD图像（c、e和f）;相应亚表层misorientation分布三维峰值图（d）

下图TEM图像（图3）清晰展示了在可控材料去除后所形成的切屑，以及亚表层材料结构的变化，和高角度晶界（HAB）的演化过程。需要指出的是，在材料去除前期，HAB并未出现，在位错不断聚集达到一定阀值后，继而开始出现高角度晶界（HAB）；且HAB将变形区域与原始状态材料（bulk materials）分割开来，组织了位错的扩展。

图3 单晶体微纳材料去除后亚表层的TEM图像和misorientation图像

下图（图4）清晰展示了在跨晶界材料去除中晶界的存在所导致的切削过程中变形机制的转变。首相图4b中切削的波动表明了晶界的存在所导致的且过程不稳定性，另外在晶粒B中切削力的下降又展示了晶粒朝向差异（晶粒A和B）对于切削力变化的影响。

图4 跨晶粒材料微纳去除中的各阶段刀具抗力变化及相应亚表层TEM图像。

下图（图5）的TKD图像展示了材料去除后对于晶界左右晶粒A和B的影响。首先在晶粒A中，展现出与单晶粒切削相似的变化（HAB的渐进式演化）；而晶粒B（跨过晶界以后）所展现的情况与晶粒A完全不同，这是由于晶界的存在和弯曲（如图5-b所示）所导致的变形机制的转化。需要特别之处的是，在局部放大图中（图6），不仅更加明确的展示了晶界的弯曲，更有趣的是，前述所产生的HAB在接近晶界区域时发生了多次跳跃而导致其变形深度的变化，并且在其跳跃区域出现了晶体内部的重结晶现象。HAB的跳跃和变化在图5-d中的misorientation三维峰值分布也清晰的展示出来（峰值的分布突变）。

图5 跨晶界材料取出后亚表层材料的TKD图像和misorientation三维分布图

图6 晶界区域的局部放大TEM图像和相应misorientation分布

施密特因子（Schmid Factor-SF）可以用来描述晶体材料在某一方向的滑移系启动的概率（变形的难易程度）；施密特因子越高，滑移系启动的概率越大。下图7展示了在微纳材料去除后的亚表面施密特因子SF的分布图，同时该研究中经过大量的材料去除实验，得到图8的统计结果。首次揭示晶体材料在微纳去除后的晶体选择优选取向规则：针对切削所接触的第一晶粒，其被影响亚表层将有向高施密特因子（Schmid Factor-SF）方向旋转的趋势，而持续切削直至跨越晶界后所遇到的后续晶粒的变形层并不会向高SF方向明显旋转，反而更倾向于保持恒定或略微下降。该现象的存在不仅揭示了在微纳材料去除中受影响层的变化规律，更强调了多晶材料中晶界存在多余材料去除影响的广泛性和重要性。

图7 单晶内部及跨晶界材料微纳去除后亚表面的施密特因子（Schmid Factor-SF）的分布和变化

图8 微纳材料去除前后的施密特因子（Schmid Factor-SF）变化示例（a）和统计数据结果（b）