铣削和线切割加工对金属材料重铸层形成及拉伸性能的影响

《MetalMat》：Effect of Milling and Wire Electric Discharge Machining on Recast Layer Formation and Tensile Behavior of Metallic Materials

　　摘要

材料加工是一种无价的技术，可以赋予所需材料特定的形状和尺寸。不同的加工工艺会产生不同的表面特性，这些特性不仅包括表面粗糙度，还包括特定的表面形态，例如重铸层。本研究重点探讨了两种不同加工技术（i）铣削和（ii）线切割电火花加工（wire–EDM）对铝（Al-6061）、铝基金属基复合材料（Al-MMC，含10% SiC）、双相不锈钢（DSS-2205）和钛（Ti-6Al-4V）的拉伸性能、表面完整性和断口金相的影响。无论材料类型如何，由wire–EDM处理后的表面具有相似的特征，但在不同的工件材料上，加工痕迹的可见程度有所不同。重铸层的厚度取决于材料的性质，其中铝材没有观察到重铸层，而DSS-2205的重铸层厚度最大。对于所有研究材料，通过wire–EDM加工的样品表面粗糙度总是高于铣削加工的样品，尽管这对其拉伸强度的影响可以忽略不计，除了Ti-6Al-4V材料外，由于其硬度增加和延性显著降低。对于给定材料而言，重铸层的存在和范围对其拉伸强度和伸长率都有显著影响。在整个断裂面上都观察到了塑性断裂机制，但重铸层区域除外。

1 引言

材料的固有属性可能会受到所采用的加工工艺的影响，这可能导致形状变化、表面变形或产生残余应力。在传统的加工工艺中，如车削、螺纹加工、端面加工、钻孔、镗孔、铣削等[1]，材料是通过使用楔形切削工具逐渐以固体切屑的形式从预成型毛坯中去除的，以达到所需的形状、表面光洁度和公差。然而，难以切割的材料[2]对传统加工工艺提出了重大挑战，例如加工速度慢、工具磨损严重等[3]。这些材料不仅包括单体金属合金，还包括金属基复合材料，如Al-MMC[4-6]以及其他材料[7, 8]。所有这些限制促使人们寻找能够合理加工多种材料并产生更高表面光洁度的替代加工工艺。因此，许多非传统加工工艺，如电火花加工（EDM）应运而生。在非传统加工工艺中，不会发生剪切或切屑形成。这类工艺不使用任何切削工具，而是直接利用各种形式的能量（热能、电能、化学能、电化学能等）来去除材料[4]。材料去除可以通过侵蚀、熔化、汽化、离子溶解等多种方式实现。在各种传统和非传统的铣削工艺中，铣削和线切割电火花加工（wire–EDM）是最常见的。铣削工艺需要较高的刀具成本，会导致材料强度下降以及一些有用机械性能的损失，而wire–EDM虽然成本较高且加工速度较慢，但可以加工任何硬度的材料且不会留下毛刺[9]。因此，问题在于，与传统铣削相比，使用非传统加工工艺（如EDM）是否能使加工部件具有更好的机械性能。EDM工艺的一个固有缺点是在加工表面形成重铸层，该层通常含有表面裂纹。Xavior等人[10]研究了EDM形成的重铸层对Inconel 718疲劳寿命的影响，他们发现这些表面裂纹在疲劳测试中容易扩展。表面裂纹会导致应力集中，并形成新的局部塑性区域，从而促进裂纹扩展。Alshemary等人[11]的报告也指出，wire EDM加工后的表面粗糙度不均匀，充满了球状物、碎屑、浅陨石坑、裂纹和空洞。Mohd Daud等人[12]研究了wire EDM切割对室温下挤压AZ61镁合金疲劳强度的影响，发现wire EDM切割样品的疲劳极限比光滑抛光样品低20 MPa。疲劳裂纹从wire EDM切割样品的切割坑处开始并扩展至最终断裂。在EDM形成的表面上，残余应力分布呈现出平面各向同性，但在深度方向上梯度较高。Pujari等人[13]研究了wire–EDM加工参数对铝2014 T6合金的影响，微观检查显示在所有加工条件下铝表面上都没有表面裂纹，尽管存在波纹状表面、多个腔体和重叠的陨石坑。铝2014 T6合金具有很高的热导率（154 W/m-K），因此更多的材料体积受到了热损伤，但重铸层与基体材料之间的热梯度可能不足以产生裂纹。虽然在Al-6061[14]和含有不同增强材料（如SiC[15]、Al2O3[16]、TiB2[17]）的Al-MMC[15]中可以通过优化工艺参数将重铸层的生成降至可忽略的程度，但在DSS-2025[18, 19]和Ti-6Al-4V[20, 21]中，即使优化了工艺参数，仍然存在较厚的重铸层。尽管关于Ti合金的EDM加工有大量报道[22]，但关于铝[23-25]和Al-MMC[26, 27]的报道却很少。Rajmohan等人[28]报道了DSS-2025合金微线切割EDM的工艺参数优化。因此，可以得出结论，EDM过程中形成的重铸层取决于材料类型。对于高热导率材料（如铝合金及其复合材料和不锈钢），重铸层的形成较少，且表面裂纹也较少。然而，对于热导率较低的材料（如钛基合金），它们更容易形成含有大量表面裂纹的重铸层。Krahmer等人[29]研究了制造方法对低碳钢和Inconel 718拉伸测试性能的影响，发现铣削和wire–EDM加工的钢材之间的拉伸强度差异最小为0.4%–2%。对于Inconel 718，拉伸强度差异最小为0.8%–1.7%。实验结果表明，即使表面发生了一些变化，对拉伸强度的影响也低于5%。除了拉伸强度外，由于铣削过程中的应变硬化效应，铣削样品在断裂点处的伸长率也较低，这是铣削Inconel 718样品的典型现象。相比之下，wire–EDM加工不会导致这种表面效应。Ghanem等人[30]报告称，与铣削样品相比，EDM样品的疲劳极限降低了35%，这归因于EDM后的残余应力状态、显著的相变和氢脆作用。铣削表面没有微观结构变化或表面裂纹，并含有压缩残余应力[31]，所有这些都有助于提高疲劳抗力。文献中还报道了切削力的优化以及对碳钢和双相不锈钢（DSS）[32, 33]干式铣削过程中加工对表面光洁度的影响。Zhang等人[34]报道了使用Taguchi设计方法研究铣削操作过程中表面粗糙度的影响。Christy等人[35]还对Al6061合金和MMC Al6061/TiB2/12p的微观结构和机械性能进行了比较研究。众所周知，加工工艺会影响加工零件的性能。基于上述文献回顾，可以得出结论，目前缺乏关于传统和非传统加工工艺对不同材料加工零件机械性能影响程度的信息。然而，为了降低成本并选择合适的加工工艺和材料设计，迫切需要了解这些信息。为此，本研究通过拉伸测试研究了铣削和wire–EDM对不同材料（包括高热导率和低热导率材料）加工零件的影响。因此，本研究的新颖之处在于探讨了加工技术对表面层（如重铸层）形成的影响，以及这些表面层如何影响所研究材料的拉伸性能。本文的主要目的是探究加工工艺如何影响加工零件的机械性能。在这项研究中，传统（铣削）和非传统（电火花加工）工艺针对不同材料进行了比较，比较了表面形态、表面截面、表面粗糙度、拉伸性能和断口金相。本研究的结果将有助于研究人员和专业人士在选择加工工艺和材料以实现先进应用的经济设计。

2 材料与方法

2.1 材料

本研究调查了四种不同的材料，分别是铝合金（Al-6061）、添加了10% SiC颗粒的铝基金属基复合材料（Al-MMC）、5级钛合金（Ti-6Al-4V）和双相不锈钢（DSS-2205）。选择这些材料是基于它们在结构应用中最为常见的工程材料，并且可以通过铣削和EDM工艺进行加工。这些材料涵盖了不同的热导率和熔点范围，这在它们的EDM加工过程中起着重要作用[36, 37]。所有材料都以2000 mm × 2000 mm × 7 mm的尺寸商业采购的锻造板材形式提供。材料的热物理性能见表1。选择这些材料是因为铣削工艺受机械性能影响，而wire–EDM工艺受热性能影响。这些材料易于获取，并且在许多高科技应用中得到广泛应用。材料的选择基于可获得的资源和它们各自的材料属性，重点考虑了热导率和强度，如表1所示。

表1. 调查材料的热物理性能
| 材料 | 熔点（°C） | 热导率（W/m-K） | 拉伸强度（MPa） | 硬度（维氏） | 断裂伸长率（%） |
|-------|---------|-----------|-----------|---------|-----------|
| Al-6061 | 585 | 151–202 | 276 | 107 | 12–17 | [38] |
| Al-MMC | 557–613 | 175 | 310 | 170–195 | 8–11 | [39] |
| DSS-2205 | 1350 | 19 | 620 | 210 | 25 | [40] |
| Ti-6Al-4V | 1878 | 7.1–7.3 | 880 | 349 | 14 | [41] |

样品使用CNC铣削和wire–EDM加工成扁平的“狗骨”形状，这种形状符合ASTM EM 8-00标准用于拉伸测试[42]。总体长度和宽度分别为130 mm和20 mm，如图1所示。两种加工工艺的加工参数是根据机床能力、切削工具供应商的建议以及文献中的信息[36, 39]选定的。

2.2 通过铣削加工的材料

铣削工艺使用Leadwell V30 CNC机床和涂有TiCN涂层的碳化钨切削工具进行。首先进行预加工，得到尺寸为132 mm × 22 mm × 7 mm的长方体。然后按照表2中所示的加工参数对样品进行周边和轴向铣削，以形成所需的形状。所选的加工参数基于文献中的信息[11, 43]。

表2. CNC铣削的选定加工参数
| 材料 | 主轴转速（rpm） | 进给速率（mm/min） | 切削深度（mm） |
|------|-----------|------------|-----------|
| Al-6061 | 1500 | 200 | 1.5 |
| Al-MMC | 1500 | 200 | 1.5 |
| DSS-2205 | 1000 | 40 | 1.2 |
| Ti-6Al-4V | 1000 | 100 | 1.5 |

2.3 通过wire–EDM加工的材料

所有材料均使用FANUC ROBOCUT∝ 0iD wire–EDM机床进行加工。所选的加工参数见表3。实验中使用了直径为0.25毫米的锌涂层黄铜（铜和锌合金）丝作为工具电极，而作为电介质液体的去离子水具有高电阻率、高介电常数、良好的冷却效果和冲洗能力[44]。与铣削操作类似，电火花加工（wire-EDM）的参数也是基于文献[11, 43]确定的。关于各种输入参数对再结晶层形态和程度的影响，我们已在之前的出版物[36, 40]中有详细说明，因此在此不再赘述。表3列出了电火花加工的选定参数。

材料：
脉冲开启时间（μs）
脉冲关闭时间（μs）
电压（V）
电流（A）
丝进给速度（m/min）
丝张力（gf）

Al-6061
10
20
26
2.0
10
1300

Al-MMC
6
17
35
3.7
10
1300

DSS-2205
6
28
37
1.9
10
1300

Ti-6Al-4V
6
25
33
1.8
10
1300

表面粗糙度（Ra）是使用Mituvo Surftest SJ-201P轮廓仪测量的，该仪器配备0.0025毫米半径的探针尖端。从每个样本的加工表面不同位置获取了五个读数，并报告了平均值。样本的表面外观是通过奥林巴斯SC100光学显微镜观察的。电火花加工的加工表面及其横截面进一步通过聚焦离子束（FIB）-扫描电子显微镜（SEM，Helios Nanolab 600，Thermofisher Scientific，美国）进行了研究。在离子束铣削之前，先沉积了一层保护性的铂（Pt）层以保护表面。初始离子束铣削在6.5 nA电压下进行，然后在30 KV电压下进行最终抛光。还使用牛津仪器的X射线光谱（EDS）系统对样品进行了断口分析和元素分析。拉伸试验在Instron 5500R试验机上室温下进行，该试验机配备了计算机化数据采集系统。横梁速度限制在最大值2毫米/分钟。然后逐渐增加负载直到样品断裂。对于每种情况，准备了5个不同的样品进行测试，以确保数据的可重复性，并报告了平均值和标准偏差。因此，总共制造并测试了40个样品。

3 结果与讨论
3.1 加工样品的表面和横截面特性
铣削和电火花加工后，首先通过光学显微镜观察了测试样品的表面，如图2所示，通过并排比较表面形态。根据铣削表面的外观，样品可以分为两组。第一组是Al-6061和Al-MMC样品，它们具有粗糙的表面光洁度和切割痕迹。另一方面，DSS-2205和Ti-6Al-4V样品属于第二组，它们具有相对较细的表面光洁度，并且由于铣削头的轴向旋转产生了槽形痕迹。基于工具的铣削通过定义的切削边缘剪切材料来生成表面，主要由进给速度和材料属性控制。进给痕迹在这些表面上可见；这些痕迹的清晰度受工件材料的延展性控制。如果材料过于延展，加工过程中的变形和材料流动会在表面形成脊状物，例如在铝合金中看到的情况。由于MMC中存在增强材料，脊状物消失并分别形成了裂纹。对于延展性较差的材料DSS2205和Ti6Al4V，生成了具有明显进给痕迹的表面。因此，这些通过铣削制备的样品在表面光洁度上存在显著差异。这种表面光洁度的来源可以归因于它们的相应机械性能，如表1所列。Al-6061和Al-MMC样品的硬度相对较低，因此材料流动相对容易，因此表面显示出延展性的流动痕迹。相比之下，所有电火花加工的样品都表现出类似的表面形态，即形成了粗糙且多孔的再结晶层，其中含有凹槽、颗粒、凝固的碎片等，如先前研究[45]所报告的。这些缺陷可能以微孔（< 50 μm）的形式出现，这有助于裂纹的传播并降低机械性能[43]。电火花加工样品的较差表面光洁度是由于加工过程中熔融材料的沉积所致。凹槽的深度取决于受热流影响的材料体积[11]。进一步的表征是通过SEM进行的，并在以下部分报告。

图2展示了不同加工工艺下样品表面的不同表面形态的光学显微镜图像。图3显示了Al-6061（图3a,b）和Al-MMC（图3c,d）样品的再结晶层的表面（图3a,c）和横截面（图3b,d）的形态。由于之前提到的不同表面特征，再结晶层的表面相对粗糙。横截面分析证实，Al-6061样品的再结晶层厚度可以忽略不计。另一方面，Al-MMC的再结晶层厚度约为1 μm。

图3还展示了WEDM Al-6061（a, b）和Al-MMC（c, d）样品的表面（a, c）和横截面（b, d）的SEM图像。这些再结晶层厚度的差异是由于相应材料的熔点[14, 46, 47]和热导率[39, 48]不同所致。如表1所示，Al-6061的熔点和热导率高于Al-MMC。因此，在电火花加工过程中，材料可以容易地蒸发。此外，接触点产生的热量可以容易且快速地通过样品散发，从而减少了接触点的热量积累。所有这些因素都有利于熔融材料的蒸发，从而有助于将再结晶层的厚度保持在最低水平。然而，在Al-MMC的情况下，情况并不完全相同。Al-MMC中存在SiC增强介质不仅提高了材料的硬度，还提高了熔点。因此，在这种情况下，材料的容易蒸发受到限制，导致再结晶层变厚。DSS-2025和Ti-6Al-4V样品中也发生了类似的再结晶层形成，如图4所示。图4a,c显示了DSS-2025和Ti-6Al-4V样品的表面形态，而横截面视图分别显示在图4b,d中。除了颗粒、碎片和未熔化的颗粒外，Ti-6Al-4V样品的表面还含有由于“淬火效应”[49]形成的许多裂纹。这些裂纹仅限于再结晶层内，没有扩散到基体材料中，正如Basak等人[39]报告的那样。这种类型的再结晶层和相关缺陷在Ti-6Al-4V和DSS-2205合金中比Al-6061和Al-MMC更为明显，因为后者的热导率较低。这些情况下的再结晶层厚度在不同位置有显著差异，DSS-2205和Ti-6Al-4V的平均厚度分别约为3–8 μm和1–6 μm。样品的表面进一步通过EDX进行了分析，如补充材料部分（图S1）所报告的。确认所有碎片和部分熔化的颗粒是工件与电火花加工丝材料（锌涂层铜）的混合物。光谱中氧峰的存在也表明表面材料在一定程度上发生了氧化。

3.2 表面粗糙度
图5展示了铣削样品和电火花加工样品之间的表面粗糙度（Ra）比较。结果显示，由于每种工艺过程中作用的不同机制，表面粗糙度存在显著差异。无论材料如何，电火花加工样品的表面粗糙度都高于铣削样品。在所有铣削样品中，Al-6061和Al-MMC的表面粗糙度远高于DSS-2205和Ti-6Al-4V。这证实了通过光学显微图对加工表面的视觉观察结果，如图2所示。Al-MMC的最高粗糙度可以归因于基体中存在的SiC颗粒，这些颗粒由于硬度高而难以加工，导致工具快速磨损[50]。加工后的表面不像其他样品（DSS-2205和Ti-6Al-4V）那样光亮，而是呈现出略带灰色的表面。此外，具有相对较高表面粗糙度的铝合金还含有诸如Al2O3这样的介电相，这些介电相倾向于与其他导电物质混合，导致使用的较低电压无法产生足够的能量来熔化残留在加工表面的介电颗粒，从而形成许多突出的峰[51]。Krahmer等人[29]也报告了类似的趋势。通常，较高的表面粗糙度表示加工表面上有更多的缺陷。根据Pramanik等人[43]的研究，电火花加工样品的表面粗糙度较高，因为在脉冲开启时产生的热量较高，这在加工表面形成了深的凹槽。其他研究者[52]也报告了电火花加工表面形成的各种大小的凹槽以及增加表面粗糙度的再结晶层。

3.3 拉伸试验
图6显示了铣削和电火花加工的Al-6061和Al-MMC样品在拉伸试验过程中生成的载荷-延伸曲线。正如预期的那样，无论采用哪种加工技术，Al-MMC在载荷吸收方面的表现都优于Al-6061样品。这是由于Al-MMC在SiC增强颗粒存在下具有更高的硬度和韧性。尽管在延伸方面有显著差异，但加工过程对载荷吸收的影响可以忽略不计。与铣削样品相比，电火花加工样品的延伸率略微高（约0.5%）。

图7显示了铣削和电火花加工的Al-6061和Al-MMC样品的载荷-延伸曲线。图8显示了DSS-2025和Ti-6Al-4V样品在拉伸试验过程中生成的载荷-延伸曲线。同样，对于DSS-2025样品，铣削样品和电火花加工样品之间的最大载荷和延伸率有细微差异。然而，对于Ti-6Al-4V，铣削样品和电火花加工样品之间的最大载荷和延伸率存在巨大差异。这可能归因于再结晶层上的表面裂纹、热影响区（HAZ）以及加工表面的拉伸残余应力[45]。

图8显示了从载荷-延伸图计算出的DSS-2205和Ti-6Al-4V样品的极限抗拉强度和百分比延伸率。加工过程对材料抗拉强度的影响很小，大多数情况下的微小差异在实验误差范围内。铣削样品的延伸率较短，这是由于加工过程中延展性材料Al和MMC的应变硬化。对于这些材料，电火花加工的热效应似乎影响了表面，但没有显著影响整体性能。电火花加工的Ti-6Al-4V的延伸率仅为铣削Ti-6Al-4V样品的一半。然而，电火花加工的Ti-6Al-4V的刚度和延展性分别显著增加和降低。由于加工过程中的裂纹和拉伸残余应力，电火花加工的Ti-6Al-4V的断裂应变减小。另一方面，脆性和硬质的再结晶层增加了刚性并降低了整体延展性[39, 45]。DSS-2205的熔点较低，热导率较高，但仍形成了较厚的再结晶层。似乎通过重铸层替代断裂机制和性能组合后，应力-应变曲线几乎保持不变，这与铣削处理的DSS-2205材料的情况相当。图8（在图查看器中打开）PowerPoint

(a) 通过铣削和线切割电火花加工（wire-EDMed）工艺制备的试样的极限抗拉强度；(b) 试样的百分伸长率。

3.4 变形形态

为了研究测试样品的变形形态，将失效的样品放在一起，并通过光学显微镜拍摄了照片，如图9所示。无论样品的制造工艺如何，Al-6061样品都观察到了明显的颈部缩颈现象，而断裂线是直的。对于铣削处理的Al-MMC样品，尽管断裂线是直的，但线切割电火花加工的Al-MMC样品的断裂线却是“锯齿状”的。断裂路径的偏移是由于SiC颗粒的存在，其硬度远高于基体材料，因此能够改变断裂路径[53]。在这种情况下，颈部缩颈的程度也明显低于Al-6061样品。对于DSS-2025样品，无论采用何种制造技术，断裂路径都是直的。虽然视觉上的颈部缩颈现象不明显，但在断裂线附近仍有明显的材料挤压现象。对于Ti-6Al-4V样品，在两种情况下断裂路径都不规则，并且在断裂线附近有严重的塑性变形。图9（在图查看器中打开）PowerPoint

3.5 失效表面的断口分析

为了了解主要的断裂机制，使用扫描电子显微镜（SEM）对断口进行了研究，结果如图10-13所示。每个图中的中间列显示了试样中部断口的整体视图，而右侧和左侧列分别显示了试样两侧边缘的高倍率图像。图10展示了铣削和线切割电火花加工的Al-6061样品的断口形态。这些断口特征反映了延性材料的典型断裂行为，表现为不规则的隆起以及“杯状和锥形”结构（图10a,c,d,f），并具有纤维状外观。图10（在图查看器中打开）

Al-6061样品的断口图：(a–c) 铣削加工；(d–f) 线切割电火花加工。图11（在图查看器中打开）

Al-MMC样品的断口图：(a–c) 铣削加工；(d–f) 线切割电火花加工。图12（在图查看器中打开）

DSS-2025样品的断口图：(a–c) 铣削加工；(d–f) 线切割电火花加工。图13（在图查看器中打开）

Ti-6Al-4V样品的断口图：(a–c) 铣削加工；(d–f) 线切割电火花加工。与Al-MMC样品类似，图11中也观察到了相同的断口形态。除了“杯状和锥形”结构以及“凹陷”现象外，还有颗粒（增强剂）从基体中拉出的迹象，这是在试样受到拉伸作用时发生的。仔细观察断口边缘可以确认，加工过程对断口形态没有影响。由于Al-6061材料的重铸层形成可以忽略不计，而Al-MMC材料的重铸层也非常薄，因此在给定材料的情况下，铣削和线切割电火花加工样品之间没有差异。这一观察结果与载荷-伸长曲线一致，即Al-6061和Al-MMC的铣削和线切割电火花加工样品观察到相似的最大载荷。图12展示了DSS-2025样品的断口形态，铣削和线切割电火花加工样品之间的断口差异非常明显。在铣削样品中，从样品中部（图12b）到边缘（图12a,c），整个样品都表现出典型的延性断裂模式（图12a–c），并形成了特征性的“杯状和锥形”结构，而线切割电火花加工样品则没有这种现象。在线切割电火花加工样品中，延性断裂模式在接近重铸层的地方停止，如图12d所示。这一点通过重铸区域边缘缺乏“杯状和锥形”特征以及“凹陷”得到确认。在重铸层中，断裂模式介于延性和脆性之间，这是由于重铸层的硬度和微观结构不同所致[39]。图13也显示了Ti-6Al-4V样品的类似断口形态。铣削样品在整个样品中（包括边缘）都表现出延性断裂（图13a,c）。然而，在线切割电火花加工样品中，延性断裂模式仅延伸到重铸层，然后转变为脆性/准脆性断裂模式，如图13d,f所明显显示的。根据Basak等人的研究[39]，重铸层的硬度约为基体金属的5 GPa（基体金属为3.89 GPa）。此外，重铸层的极限抗压强度约为基体金属的1520 MPa（基体金属为1069 MPa）。因此，重铸层具有“硬而脆”的特性，这导致了断裂模式的改变。根据上述实验结果可以总结，任何特定的加工工艺都不会影响材料的机械性能和断裂机制，除非它显著改变了材料表面。在当前的研究中，铣削和线切割电火花加工工艺中，后者通过生成重铸层显著改变了DSS-2025和Ti-6Al-4V样品的表面。这些重铸层含有大量的缺陷，如碎片、球状颗粒和氧化物颗粒，并且呈现出“玻璃化”状态。由于重铸层的这种特性，它们变得坚硬且易碎，在机械载荷作用下容易失效，Basak等人[39]对Ti-6Al-4V材料经过线切割电火花加工后形成的重铸层进行了微柱压缩实验，详细报告了这一现象。据报道[39]，重铸层的强度是基体材料的1.5倍，但延展性受限，例如材料的塑性流动受到了影响。由于DSS-2205和Ti-6Al-4V的导热系数相对较低，并继承了基体材料的特性，重铸层的厚度相当大。因此，与基体材料相比，重铸层通常更硬且更脆。所以，在经过线切割电火花加工后，这些材料含有硬而脆的层，会发生脆性断裂。

4. 未来发展方向

在这项研究中，所有材料都经过了铣削和线切割电火花加工处理，基于实验结果，本文介绍了这两种加工技术对成品样品的影响优缺点。不太可能有某一种技术明显优于另一种。选择何种技术将取决于资源的可用性和特定成品的预期用途。不同加工工艺的效果取决于特定材料的内在属性[48]。在某些应用中，加工过程中有意引入的变化是为了改善零件的性能。在这种情况下，需要对更多材料进行广泛的研究，以优化工艺并积累数据以供将来使用。另一方面，在许多情况下，加工引起的工件材料变化是不利的。在这种情况下，需要适当的热处理或表面处理工艺来改善材料性能。此外，本手稿没有涉及不同加工方法产生的残余应力对材料强度的影响，这一领域值得进一步研究。

5. 结论

在分析了铣削和线切割电火花加工对四种不同材料（铝合金Al-6061、铝基金属基复合材料Al-MMC、双相不锈钢DSS-2205和钛合金Ti-6Al-4V）的拉伸行为的影响后，可以得出以下结论：

无论材料种类如何，使用线切割电火花加工得到的表面粗糙度都高于铣削加工，这是由于后者过程中形成了重铸层。由于铣削和线切割电火花加工之间的差异很小，因此表面粗糙度的影响在本研究中并不显著。铣削加工的Al、Al-MMC、DSS和Ti-6Al-4V的平均表面粗糙度分别为2.75 μm、3.91 μm、1.12 μm和0.95 μm。而线切割电火花加工样品的平均表面粗糙度分别为3.95 μm、5.12 μm、3.75 μm和2.82 μm。比较载荷-伸长曲线后发现，对于Al-6061、Al-MMC和DSS-2205，铣削或线切割电火花加工对抗拉强度和伸长率的影响相似，差异可以忽略不计。然而，对于通过线切割电火花加工制备的Ti-6Al-4V样品，由于重铸层上存在裂纹在拉伸测试过程中扩展，其伸长率明显降低了约50%。然而，由于重铸层的硬脆性质，刚度增加而延性降低。在所有情况下，断裂模式都以延性变形为主。在Al-6061和Al-MMC中，这种延性变形贯穿整个断裂表面，从中心到边缘都有体现。但是对于DSS-2205和Ti-6Al-4V，当达到重铸层时，延性变形在边缘处停止并转变为脆性/准脆性断裂模式。调查提供的结果和分析有助于为这些常用材料选择合适的加工工艺，并优化高科技应用（如航空航天和汽车工业）的设计。

作者没有需要报告的财务信息。作者声明没有利益冲突。数据可用性声明

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