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在常规热处理中，TTT图用于预测相变。然而，这样的图表需要足够长的持续时间足以获得均匀的结构。在加工过程中，加热速度非常快。因此，在常规热处理中，达到类似转变所需的温度要高得多。图3.10显示了加热速率如何改变过共析钢的极限Ac1和Ac3。结果表明，回火状态使得极限的改变能够在更低的温度下和更短的持续时间之后发生。很明显，即使在短时间的热冲击下，硬化钢也有不良转变的倾向。在长时间的热处理持续时间后，可以通过成核，晶体生长，扩散等进行转化。在确定的临界加热速率下，不能观察到转化线Ac1和Ac3的进一步移动。在高速切割中，发生无扩散转变，这意味着不发生原子扩散过程的不同晶体转变的再结晶。
在短时间热处理过程中，通过快速散热到到部件的冷却器核心或润滑剂可以达到淬火速率，从而抑制对新产生的马氏体的持久的热冲击。因此，形成了非常细小的结构，由于光学显微镜的分辨率的限制，显微照片会显示为白色。 这也导致了外层的再硬化。这种特定的性能被用于诸如感应和激光硬化之类的短时间热处理方法，以便在提供相对低的能量的同时进行局部表面硬化。
当由于较长的曝光或更强烈的热通量而导致热量较高时，子层不能迅速地从表面散发热通量。然后子层会回火，导致软化。该层是所谓的过热马氏体结构（在用硝酸酒精溶液蚀刻的钢的情况下显现为黑色），其具有比常规马氏体制成的散装材料更低的硬度（图3.11）。 在显微照片上，在热影响层和体积之间不能看到明确的转变线。
图表3.10. 加热速率对过共析钢Cf53 TTA图的影响
图表3.11. 在27MnCr5表面硬化钢上进行硬车削操作引起的微结构改性[12]
当这种热量变得更高时，会发生附加的微结构变形（具有扩散）的波纹，导致与表面氧化（烧结表面）平行的未回火的马氏体和残余奥氏体。 这些层在显微照片中显示为白色，因为奥氏体对于硝酸酒精溶液蚀刻不敏感。
除了根据时间 - 温度分布和特定材料性质发生的上述相变之外，由发生的热量引起的热膨胀以及由相变引起的体积变化导致不稳定的应力场。这种应力场叠加在由纯机械和纯热效应引起的两个先前的应力场上，这使得预测在实际切割过程中变得非常复杂。
3.2.2残余应力的建模
自20世纪50年代初以来，人们一直在研究机械表面的残余应力，这也是手册数据的主要来源（实验方法）。 近年来，有限元加工方法已被用于预测计算应力和温度分布的残余应力。 然而，这种方法是非常耗时且非常昂贵的。 因此，最近出现了结合实验，分析和数值模型的新方法，以便在几分钟内快速预测残余应力，使该方法可用于工业应用。
这些研究中绝大多数都有意于预测正交车削（或磨削）后的残余应力状态，这是远离实际切削过程（3D车削，铣削，钻孔等）的2D问题。 移动到复杂切割过程的主要限制是中央处理单元（CPU）时间。 只有少数调查涉及三维车削操作，但有更多的假设和不确定性，以限制CPU时间[37,38]。 此外，这些模型不考虑限制其应用的微结构修改。从这个角度来看，切割部分是焊接部分的后盾，且各部分长期以来一直在研究三维配置中冶金 - 机械热效应的耦合[39,40]。 本节旨在为正交切割中的残余应力建模提供一些趋势和参考，而不考虑冶金变化。
3.2.2.1数值建模
数字模型需要应用标准有限元代码，如SYSWELD，ABAQUS，DEFORM等。在这种方法中，这两种类型的参数是最为重要的的（图3.12）：
bull;输入数据：工作材料的机械性能，工件材料和切削工具的热性能，工具材料界面处的摩擦模型等。
bull;数值模型：
- 拉格朗日，欧拉或ALE技术
- 适应重构或无
- 隐式或显式公式
- 元素类型和大小
切削刀具几何由刀具制造商提供（耙齿和间隙角，切削刃半径，断屑槽几何形状）。 大多数时候，制作者考虑了平面应变配置，因为他们认为切割深度远远大于进料。
拉格朗日技术包括跟踪离散材料点[41]。通常存在刀尖处的预定分离线，在工具前方传播虚拟裂纹，以避免严重的网格失真（图3.13）。 在这种情况下，需要一个失败标准。标准是基于工具尖端和节点之间的距离，或者基于取决于应力状态的参数对应变速率以及在刀尖前方一定距离处的温度。在这两种情况下，当达到临界值时，发生分离[42,43]。但是，只能使用锋利的切割工具进行建模。其他类型的拉格朗日技术更喜欢使用自适应重新划分技术来绕过该问题，这使得钝工具能够建模[44-46]（图3.14）。当然，CPU工作时间变得非常高，因为在切削刃半径周围需要精细的网格。
图3.12. 涉及残余应力数值模拟的数据
图表3.13. 拉格朗日技术的原理应用于金属切割建模
欧拉技术包括跟踪体积，不会引起网格失真或需要失效准则的问题[47,48]。 然而，自由曲面的确定是至关重要的，这就需要关于芯片几何的一些假设（没有分段的芯片等）。 最后，避免弹性行为不能估计残余应力。
任意的拉格朗日欧拉（ALE）技术是一种相对较新的建模技术，它代表了拉格朗日和欧拉技术的组合，没有其缺点[49]。 图3.15说明了这种方法的应用。 区域A，C和D被建模为具有自适应网格划分的拉格朗日区域。 所以自由曲面可以正确建模，边界条件可以简单的应用。 因此，自动切屑形成发生。 区域B被建模为欧拉地区，其中网格被固定在空间中，物质流过它。这解决了刀尖周围遇到的问题。
图表3.14. 模拟316L钢残余应力的拉格朗日模型的例子[46]
图3.15.ALE技术应用于金属切割数值模拟的原理,来源[49]
在金属切割模拟中，作者通常应用明确的积分方法;虽然一些制作可用隐式方法[44，50]。在显式集成中，一个解耦微分方程的系统在元素依赖的基础上得到解决，其中只需要组织和保存元素刚度矩阵，而不需要全局刚度矩阵。另一方面，全局刚度矩阵必须在隐性积分中予以制定和保存，整个微分方程系统必须同时解决。因此，显式方法在计算上更有效率，特别是当遇到非线性时。这在热耦合分析中变得更加明显，如在金属切割中，因为结构和热变量被同时解决。另一方面，显式集成是有条件稳定的，因为临界时间步长取决于最小元素大小和波传播的速度，而隐式集成是无条件稳定的[51]。
关于数值模型的输入数据，确定工作材料本构方程（流动应力模型和损伤模型）仍然是一个问题，因为它需要在高应变率，大应变，高温和高加热率的条件下确定材料性质加热速率。主要问题来自标准机械试验（例如霍普金森棒）中可实现的应变速率，与金属切削中的经典应变速率相比，约为105-106s-1的约100倍。通常的做法是使用Johnsson-Cook模型，包括变形硬化，热软化和速率敏感性。另一个主要问题源于彼此独立的系数识别，即应变率效应在低温下被识别，温度效应在低应变率下被识别等。因此，没有办法验证这种模型在高应变率和高温的组合下保持有意义。一些作者强调了Johnsson-Cook参数对预测的残余应力的敏感性，以证明改进识别方法和本构模型的必要性[44]。
摩擦也是金属切削最关键的参数之一。 实际上，它是确定残余应力的最敏感参数，因为其值的小修改会引起残余应力场的大量修改[43,52]。 许多作者认为库仑摩擦模型是有效的，与压力和温度无关，系数恒定。 新近开发的三元组合与数值模型相结合，可以识别出更逼真的摩擦模型[53]。
由于模型的瞬态热和动态特性，必须在切割过程之后对工件进行热和机械放松，以量化残余应力。
所有这些模型都提供了相关信息，在其被开发的应用范围内。通常情况下科学论文只呈现在有限数量的切割条件下的结果，而不显示模型推断其他应用的结果的能力。图3.14中提供了一个示例。然而，即使使用强大的计算机，获得可接受的准确结果所需的CPU工作时间大约为1或2周，目前尚不能实现其工业应用。然而，这种模型对于研究人员是有用的，因为可以对多种配置进行残余应力预测，这有助于研究这些参数的灵敏度。这也使得能够通过修改基于残余应力标准来开发切割操作：
bull;切割条件：切割速度，冷却液等
bull;刀具几何形状：边缘半径，角度等
bull;切削刀具材料：涂层，基材等
3.2.2.2分析建模
分析模型的目的是根据工作材料的机械和热性质的方程来预测残余应力。 与实验或数值方法相比，这种模型在速度方面占优。此外，这些模型能够详细地解释每个参数对系统的影响，这对于过程优化是必需的。
纯分析模型几乎不存在，因为它们无法建模动态运动。实际上，切削边界在加工过程中不断变化。因此，从开始到稳定状态的模拟过程变得复杂。因此，大多数作者应用有限元技术来解决这个问题。与以前的方法相比，数值计算仅用于促进和加速每个步骤的机械和热方程的分辨率。此外它能够记录热机械装载和卸载的历史。从实践的角度来看，作者必须执行三种操作（表3.16）：
图表3.16. 移动源原理[52]
1.量化加工表面支持的热机械载荷
2.以对应于切割速度的速度移动热机械载荷
3.在量化残余应力之前，取出载荷并等待热和机械场的松弛。
基于这一说法，每个作者都有不同的方法来量化加工表面支撑的热机械载荷。 一些作者仅考虑热载荷并忽略机械效应[54]。 其他作者喜欢以两个步骤处理热机械载荷：
- 第一个计算是为了模拟工具，芯片和工件之间的热传递。来自剪切能源的主要剪切带的热源和工具前刀面接触区产生的摩擦能。一些作者不考虑从侧面 - 工件界面处的摩擦产生的热量[55]，而其他作者认为它是最重要的[52,56]。每个参数的量化总是有问题的，考虑到：热分配系数，与环境的热交换系数，塑性变形能的转换热量，沿接触面的热通量密度的重新分配，相关摩擦模型的可用性(参见上一节），涂层的影响等。在使用这种方法的文章中，每个作者根据文献中可用的数据有自己的选择。然而，基于该热分析，计算工件内的温度分布。温度梯度导致非均匀的机械应力场。
- 机械载荷与初步应力相结合。 在这一步上，存在两种策略。 第一个策略包括忽略耦合效应[56]，而第二个策略在于考虑到这种热机械耦合[52]。这种方法引起机械和热现象之间不存在耦合。然而，每个参数的定量仍然是一个问题：重新分配接触表面上的压力，接触表面的面积，各向同性或运动学硬化等。根据作者，存在各种解决方案。一些作者使用纯理论模型[55]，而其他人更喜欢使用获得基本正交切割测试（切割和进给力，侧面接触面积，切屑厚度等）的实验数据[52,56]
这些的分析模型使得人们能够在精度方面获得有趣的结果（图3.17中的示例）和CPU工作时间（根据[52]的几分钟）。 通过实验结果拟合的分析方程的模型可以被认为是在开发有效和快速数值模型之前模拟残余应力的现实方法。
图表3.17. 分析模型得到的结果示例[52]
所有这些模型（分析和数值）有助于更好地了解导致残余应力的现象。他们还可以决定切削刀具的设计和选择正确的切削条件。然而，目前，所有这些模型都是针对一个具体应用开发的：或是种工作材料，或是刀具材料，或是几何形状等，并且由于每个残差的成本，它们的验证总是局限于少数情况的应力测量。因此，市场上仍然没有可用于大范围应用（各种工作材料，各种切削工具，各种切削条件，润滑应用等）的残余应力场的软件。过去十年的巨大进步使我们认为，如果一些领先公司对研究实验室施加压力并提供财政支持，以便更准确地确定其模型所需的输入数据，这样的软件可能会在未来几年出现并且如果CPU工作时间持续下降，以便在合理的时间内获得准确的结果，以实现工业优化。与此同时，实验方法可能仍然是参考。
3.2.3实验方法
3.2.3.1介绍
用于表征由机械加工过程引起的表面残余应力的最广泛使用的方法仍然是实验方法。 它包括表征加工操作前后的残余应力状态和组织。 X射线衍射技术和显微照片分析是这种研究的参考。 实验方法是非常有效的提供结果，但它需要几天的表征。 此外，这种设备的成本和其应用的复杂性需要有能力的工程师，这导致了非常高的成本（根据调查方向的数量，所需的精度和数量，成本在几百到几千美元之间）。
然而，这样的结果表现出很大的偏差，因为大量的切削参数对残余应力分布具有很大的影响。诸如切割速度，进料等参数是众所周知的，但是关于诸如切削刃准备，润滑（性质，应用）和切削刀具磨损等参数的信息并不总是可靠的并且可以显著变化。众所周知，这些参数对残余应力分布具有很强的影响，因为它们完全影响了由表面支撑的热机械载荷[12,13]。大多数情况下，这些详细信息没有明确表达或控制。因此，为了找到结果的下限和上限，包括标准行业偏差，有必要对每个案例研究进行几个表征。根据这一范围的结果，可以对过程的能力作出决定。为了获得可靠的信息，这需要大量的时间和金钱。因此，很少有公司愿意进行这样的调查，除了飞机工业，核工业和汽车行业的一些关于安全部件的战略表面。通常，公司倾向于根据常规标准选择其制造条件：成本，时间，磨损，准确度等，并转包表征，以验证（或不）表面完整性。这种方法的主要问题是，满足规格的概率相当差，因为市场上没有能够预测结果的基本可靠模型（参见前面的章节）。因此，公司在所有可能的参数中对一个参数的修改作出决定是有缺陷的。当残余应力必须在外层压缩时，最小的危险解决方案包括加工超精加工工艺，如珩磨，皮带精加工或辊磨抛光。然而，这样的解决方案非常昂贵并且延迟了产品的上市时间。
当公司决定执行残余应力测量时，有些更喜欢测量外部层上的残余应力。这种做法是有风险的，因为外部残余应力水平非常敏感。过程参数的一个小变化可能导致其价值的大幅变动。相反，残余应力分布的形状更加稳定，因此强烈建议分析残余应力曲线而不是单个外部值。
从20世纪50年代到90年代，调查的数量相当有限，因为表征方法相当罕见，昂贵且难以管理。 X射线衍射技术的发展
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