CN101484262B - 生产纳米晶碎片的方法 - Google Patents

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Abstract

生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤其是可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。方法一般需要用切削工具机械加工物体产生具有纳米晶微结构的多晶碎片，同时在切削工具上叠加调制以便相对于正被机械加工的物体移动切削工具和造成在切削工具和物体之间接触点处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的形状和尺寸至少部分由调制循环确定，尤其是切削工具的时间长度与正被机械加工的物体衔接。

Description

生产纳米晶碎片的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2005年5月3日提交的美国临时申请No.60/677,248的权益，并为2004年1月30日提交的共同待审美国专利申请No.10/707,999的部分继续专利申请，美国专利申请No.10/707,999为要求2000年10月28日提交的美国临时申请No.60/244,087的权益的美国专利6,706,324的分案申请。本文引入这些在先申请的内容作为参考。
发明背景
本发明一般涉及生产具有纳米晶微结构的材料和制品的方法，更具体地，涉及通过机械加工和然后使用纳米晶材料形成产品来生产这样的材料和制品的方法。
通过施加非常大的塑性应变使金属合金变形可获得巨大益处。这些中最主要的是微结构细化和增强的机械和物理性质。目前特别关注的是使用“严格”塑性变形(SPD，″severe″plastic deformation)产生具有超细晶粒微结构(UFG，ultra-fine grained microstructures)的本体固体(bulk solids)，尤其是具有特征在于晶体中排列的其原子的公称尺寸小于1微米的纳米晶结构(NS，nanocrystalline structures)。纳米晶固体变得引人关注是因为它们似乎具有有效的延性、可成形性和耐裂纹扩展性，并具有令人感兴趣的化学、光、磁和电性质。纳米晶固体还似乎对辐射和机械应力的反应与微晶材料(公称尺寸为1微米至小于1毫米的晶体)有相当大不同，并且它们的反应可通过改变晶体尺寸变化。通过固结纳米晶粉末制备的材料还表现出具有在常规材料中一般不存在的增强属性。因此，纳米晶材料被认为具有用于工业应用的相当大潜力，只要它们能以成本节约的方式制造即可。
多阶段变形处理是研究由非常大的应变变形产生的微结构变化的最广泛使用的试验方法之一。值得注意的例子包括轧制、拉伸和等通道转角挤压(ECAE，equal channel angular extrusion)这类技术。在这种方法中，通过多个阶段中变形的累积施加在试样中施加非常大的塑性应变(4或更多个真实塑性应变)，每个变形阶段中的有效应变为大约1。使用多阶段变形处理已在各种延性金属和合金中证明微和纳米结晶结构的形成。但是，这类处理技术存在明显限制和缺陷。明显限制是不能在非常强硬材料如工具钢中诱导大应变。其它限制包括不能在单个变形阶段中施加远远大于1的应变、变形场的相当大不确定性以及对变形场重要变量如应变、温度、应变率和相变的最小控制，这些重要变量被预期对微结构和材料性质形成有主要影响。
最广泛使用的合成纳米晶金属的技术是从气相冷凝金属原子。在这种技术中，通过加热来蒸发金属，然后通过暴露于惰性气体如氦气或氩气冷却蒸发的原子以防止化学反应，于是能保持金属的纯度。冷却的原子凝结成尺寸一般在1-200nm范围内的单晶簇。陶瓷纳米晶的产生是类似的，除了使蒸发的金属原子在允许它们凝结前与合适的气体例如在氧化物陶瓷情况下为氧气反应。得到的晶体可被压实并烧结形成制品，通常在比相同材料的微晶粉末所需温度低的烧结温度下。尽管适合对粒度良好控制地制造粉末和小的压实样品，但凝结方法目前对于除实验外的大多数应用来说不实用。凝结方法的特别限制性方面是不能形成合金的纳米晶材料，因为从气相难以控制材料组成。凝结方法的另一个限制性方面在于由于产生的纳米尺寸颗粒而更难以获得高的未烧结密度(green densities)。被探索的合成纳米晶的其它方法包括气溶胶、溶胶-凝胶、高能量球磨和水热法。但是，这些技术不能以实际应用可接受的成本生产纳米晶材料。
从上文可看出，如果更加可控和优选低成本方法可用于合成用在产品制造中的纳米晶固体，则是理想的。如果这类方法能生产各种材料包括难以或不能使用现有技术来加工的非常硬材料和合金的纳米晶固体，则将是理想的。
发明简述
本发明提供一种生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤其涉及一种可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。
该方法通常需要用切削工具机械加工物体生产具有纳米晶微结构的多晶碎片。特别地，以生产基本(essentially)由纳米晶组成的碎片的方式机械加工物体，而生产基本由纳米晶组成的碎片是由于机械加工操作以施加足够大的应变变形的方式进行。物体可由各种材料形成，包括金属、金属合金、金属间化物(intermetallics)和陶瓷材料。此外，物体可具有基本不含纳米晶的微结构，并甚至可具有单晶微结构。通过机械加工操作生产的碎片可为颗粒(particulates)、带(ribbons)、线(wires)、丝(filaments)和/或片(platelets)的形式。
该方法还需要在切削工具上施加叠加调制(superimposedmodulation)以便相对于正被机械加工的物体移动切削工具和造成切削工具和物体在切削工具和物体之间接触点处的瞬间和定期分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的形状和尺寸至少部分由调制(modulation)循环确定，尤其是由切削工具与正被机械加工的物体啮合(engaged)的时间长度确定。
按上述方式产生的碎片可被结合(consolidated)(粉碎或不粉碎)形成产品，从而产品基本上为基本或全部由纳米晶或由纳米晶生长的晶粒组成的纳米晶整体材料。或者，可将碎片分散在基质材料中，从而产品为碎片作为增强材料被分散的复合材料。另一种替代方案是通过使碎片变形和/或从碎片中除去材料而完全由单一碎片形成整体制品。
本发明的上述方面基于以下确定情况，即可通过在合适条件下机械加工来产生非常大的应变变形，包括高应变率(strain rates)如约0.5到约10的塑性应变和高达至106/秒的应变率，在材料中形成纳米晶结构。被认为能产生合适纳米晶结构的机械加工方法包括切削和研磨技术。切削速度似乎不是决定性的，使得如果使用切削工具执行机械加工操作的话，可使用基本上任何切削速度。由于碎片的生产方法为参数可被精确控制的机械加工操作，因此对于给定物体材料，可精确和反复地得到碎片所需纳米晶微结构。此外，本发明的调制辅助机械加工步骤能控制地生产用在各种应用中的具有各种晶粒尺寸和宏观形状的碎片。可利用本发明对正被机械加工制品有最小影响地实现纳米晶碎片的生产，从而可作为现有制造操作的有用副产物来生产纳米晶碎片。
鉴于上述内容，本发明提供一种合成可用于生产整体和复合产品的纳米晶固体的可控和低成本方法。本发明的方法还能够由使用现有技术难以或不能加工的材料如用多阶段变形处理不能加工的非常硬的材料和用凝结方法不能加工的合金生产纳米晶固体。
从下面的详细描述中将更好地理解本发明的其它目的和优点。
附图简述
图1示意地表示了根据本发明的实施方案用切削工具机械加工物体生产纳米晶碎片的方法。
图2和3为通过本发明的调制辅助机械加工技术生产的纳米晶碎片的扫描图。
发明详述
本发明提供一种通过调制的机械加工直接生产纳米晶碎片的方法。直接由本体材料(bulk material)，包括金属、金属合金、金属间化物(intermetallics)和陶瓷制造碎片。此外，本体材料可具有基本不含纳米晶的微结构。选择机械加工条件以引发导致具有纳米晶微结构的碎片形成的严格塑性变形，同时在机械加工操作上叠加调制条件以控制纳米晶碎片的尺寸和形状，这提供了碎片长度在几纳米到几毫米范围内的可能性。由于可通过本发明的调制的机械加工方法直接生产可控的形貌、尺寸和形状的纳米晶碎片，因此消除了对额外的辅助粉碎步骤的需要。利用受控的调制，可以生产具有一定尺寸和形状的纳米晶碎片，包括等轴颗粒(equi-axial particulates)、带(ribbons)、线(wires)、丝(filaments)和片(platelets)。因此，术语“碎片”在本文中用于包括可通过机械加工操作生产的基本上任何的形式。
普通转让的美国专利6,706,324公开了用于纳米晶材料大规模生产的机械加工技术，该技术基于以下断言，即机械加工中碎片形成期间的高应变变形导致金属和合金中明显晶粒细化和纳米晶微结构形成。在碎片剪切面(shear plane)中出现的变形可根据图1看到，其表示利用楔形压头(工具)的工件表面的机械加工。由于大的应变变形被除去的材料即碎片在称为倾面(rake face)的工具表面上滑动。工具的倾面和工作表面法线之间的角称为倾角(rake angle)(α)。穿透工件的楔的边缘为切削边缘(cutting edge)。工具和工件之间的过盈量(interference amount)为切口的未变形碎片厚度深度(t0)，工具和工件之间的相对速度为切削速度(vc)。当工具切削边缘垂直于切削速度并且切口宽度相比于切削边缘长度和t0是小的时候，平面应变变形状态占主导，其被认为是机械加工实验和理论研究的优选构造。
观察到图1中的碎片形成是因沿称为剪切面的面的集中剪切而发生，其中在碎片形成期间施加剪切应变(γ)。可由下面的方程(1)估计剪切应变：γ＝cosα/sinφcos(φ-α)(方程1)其中剪切面角(Φ)为t0和tc的已知函数。可使用方程2预测有效Von Mises应变(ε)：ε＝γ/(3)1/2(方程2)方程(1)表明，通过改变倾角(α)从大的正值到大的负值，可在宽范围内改变剪切应变(γ)(见图1)。另外，工具-碎片界面处的摩擦也通过它对剪切面角Φ的影响来影响剪切应变(γ)。
鉴于上述内容，并如文献中所报道，利用合适的机械加工条件如宽的剪切面温度范围，可产生在约0.5到约10范围内的有效塑性应变和达到106/秒的应变率。值的这些范围显著地大于在典型严格塑性变形过程中可实现的范围。机械加工的几何参数如切口深度(t0)、倾角(α)和切削速度(vc)以类似于锻造或挤出中的模的作用的方式影响剪切变形。通过改变工具倾角可在约0.5到约10的范围内系统地改变碎片中沿剪切面(变形区域)的有效塑性应变，并通过改变工具和碎片之间的摩擦，至更小的程度。通过改变工具几何参数连同过程参数如vc和t0可改变剪切面上的平均剪切和法向应力，同时可由力的测量得到这些应力的值。最后，通过改变切削速度可系统地改变变形区域中的温度。例如，通过在非常低的速度(约0.5mm/s)下切削，可保持温度或多或少地(marginally)超过环境温度同时实现非常大的应变变形。或者，可通过增加切削速度至更高值例如约1到约2m/s来实现可期望在碎片中发生相变(例如马氏体相变，熔化)的温度。此外，使用工具涂料、工具-碎片界面的低频调制和确保润滑剂总是存在于工具和碎片之间界面处的润滑的组合证实了改变沿工具-碎片界面的摩擦高达3倍的能力。在机械加工操作中可控制摩擦(以及上面讨论的其它参数和条件)的程度在其它严格塑性变形过程中是不可能的。总之，可使用可用的机械学模型很好估计或通过直接测量得到变形区域中的温度、应力、应变、应变率和速度场。因此，可在宽范围内施加和系统地改变非常大的应变变形条件，该范围超过了(over and beyond)目前其它严格塑性变形过程中可得到的范围。
鉴于上述内容，美国专利6,706,324提供了与其它方法相比在更宽的材料组中并以更低的成本生产纳米晶结构的原理(basis)。例如，用+5度倾角工具由6061-T6铝原料机械加工的碎片被生产具有一般晶粒尺寸为约75nm的一般等轴晶粒。由于机械加工过程中实现的晶粒细化，碎片表现出约150HV的硬度，其比原始本体原料(bulkstock)硬高达50％。这类纳米晶碎片可通过粉末冶金(PM)工艺结合(consolidated)成部件或结构或用作金属和聚合物基质复合材料中的重要成分。尽管美国专利6,706,324公开了可通过辅助粉碎(例如球磨、碾磨、喷射研磨等)生产具有所需形状和尺寸的碎片，但本发明的调制技术直接通过机械加工过程生产具有所需形状和尺寸的碎片。更特别地，如果在机械加工过程中在工具进给方向上应用合适的调制条件，则未切削的碎片厚度在每个调制循环中等于零，有效地破碎了碎片。当调制峰间(peak-to-peak)振幅大于工具进给率(feedrate)并且调制频率被恰当控制时出现这些条件，即调制频率和工件旋转频率满足充分条件(sufficient conditions)。因而，通过利用机械加工生产纳米晶材料和调制机械加工技术的结合，可通过庞大母体材料的调制机械加工生产具有特定尺寸和形状的纳米晶碎片。尽管美国专利6,706,324公开了将纳米晶碎片转变成用于PM处理和其它结合过程中的较小碎片形式的辅助粉碎过程，但粉碎过程仅仅提供受限的最终碎片尺寸和形状或不能控制最终碎片尺寸和形状。因此，按照本发明通过调制辅助机械加工生产纳米晶碎片在生产过程控制和能力方面提供了显著的优势。
本发明的调制辅助机械加工技术被认为能在本体金属(bulk metal)和金属合金中诱发足够高的塑性应变变形以产生长度尺寸为几纳米到几毫米的纳米晶碎片。例如，图2和3为用0(零)度倾角工具在正交调制辅助车削(turning)操作中产生的6061-T6纳米晶铝碎片的显微照片。碎片通常具有典型晶粒尺寸为约75nm的等轴晶粒。图2中的颗粒在体积上基本相同(约6.25×10-5mm3)，但形状不同，包括等轴、针(needle)和片(platelet)。图3中的颗粒也为相同体积的颗粒(约168.8×10-5mm3)，同样形状不同，包括等轴、针和片。在圆柱形车削操作中使用不同尺寸直径的棒来生产这些颗粒。根据调制辅助机械加工过程的数学模型改变工件旋转速度、切口深度以及调制频率和振幅。由于机械加工期间实现的晶粒细化，碎片表现出约150HV的硬度，其比原始本体原料硬高达50％。这类纳米晶碎片可通过粉末冶金(PM)工艺结合成部件或结构或用作金属和聚合物基质复合材料中的重要成分。
利用相同的基本方法可将纳米晶碎片的调制辅助机械加工从小容量实验室需求扩大到大容量工业需求。例如，在颗粒形式的碎片的生产中，通过增加的材料除去速度与增加的受动态响应所限的调制频率互补并使用被设计按比例增加碎片生产率的多边切削工具，可实现增加的生产率。
现在将结合圆柱形正交车削操作更详细地描述本发明的调制辅助机械加工方法的原理(basis)，其中切削工具平行于正被机械加工的工件的轴(与旋转杆(turning spindle)的轴重合)行进以从工件圆周除去一层材料。本领域那些技术人员能认识到，在横向端面切削(facing)和切断车削操作以及其它机械加工过程(例如钻孔(drilling)、铣磨(milling)、研磨(grinding)等)中施加调制时，将遵循类似的途径。
在本例子中，按照下面的方程由工件直径和旋转速度定义切削速度vc：vc＝2πrfw稳态下给定时间t时切削工具的工具位置zo为：zo＝vft其中vf为没有调制时的进给速度(例如mm/s)，t为时间(秒)。按照下面的方程用进给率(feedrate)，a，定义工具在圆柱形车削期间的轴向进给速度vf：vf＝afw其中vf为没有调制时的进给速度(例如mm/min)，a为每转的轴向进给率(例如mm/转)，fw为工件旋转频率(转数/秒)。任意时间t时的未切削碎片厚度h为进给率和所用工具的切削边数的常数函数。对于具有“n”个切削边的工具，表达式为h(t)＝a/n＝常数。
尽管调制可能为时间的一般函数(general function)，但进给速度方向上的强迫谐振调制(harmonic modulation)被考虑用于本例子的方法，fm为以循环数/秒(Hz)表示的调制频率。如果在进给速度方向上施加正弦调制z(t)＝A cos(2πfmt)到工具上，则工具位置随时间周期性地变化，未切削碎片厚度为时间的函数。根据早期报道，在任意时间t时，工具位置为工具的瞬时位置z(t)和前面循环中工具的相对位置z(t-T)之间的差(其中T为由工件旋转限定的一个循环周期)。于是，瞬时未切削碎片厚度h被定义为；h(t)＝zo+z(t)-z(t-T)对于正弦调制，未切削碎片厚度作为时间和工具切削边数n的函数的一般形式为：h(t)＝zo/n+z(t)-z(t-T/n)h(t)＝vfT/n+2A{cos[πfm(2t-T/n]sin[π(fm/n)T]}h(t)＝a/n+2A[cos(2πfmt-π(fm/n)/fw)][sin(π(fm/n)/fw)]其中fw为工件旋转速度(转数/秒)，T为工件一次旋转的周期＝2π/ωw＝1/fw，n为切削工具边数，vf为没有调制时的进给速度(mm/s)，fm为以循环数/秒(Hz)表示的调制频率(ωm＝2πfm rad/s)，A为调制峰间振幅的一半(mm)，t为时间(s)。
当未切削碎片厚度(h)在每次调制循环期间达到h＝0的值时，出现单独颗粒的形成。用数值方法求解h＝0的时间值。由未切削碎片厚度的函数关系，调制频率和切削边数对工件旋转频率的比(fm/n)/fw必须不为零或偶数，因为偶数乘以h(t)表达式中的n得到h(t)＝vfT＝vf/fw的常数值(这些条件暗示调制对未切削碎片厚度没有影响；每个循环中工具位置的相对变化和时间t时的随后切口遵循与前面循环t-T中切口相同的路径)。在圆柱形正交车削情况下，切削边数(n)为1(单点车削)，零碎片厚度的充分条件是调制振幅2A大于或等于“a”，其大于或等于vf/fw，并且比例fm/fw必须为1/2的奇数倍数。尽管这些条件为导致接触密切区域处工具-碎片界面之间分离的数学充分条件，但系统顺应性(例如工具硬度、工件硬度)的物理影响将增加实现h＝0所需的振幅2A的实际大小并有效破碎碎片。此外，重要的是注意实际值集合中fm/fw的比会导致独立碎片颗粒的形成，这取决于振幅2A的值。
从h＝0的时间值的数值解可以确定碎片形成频率和绝对碎片长度的特征。碎片形成的这些基于时间的属性与调制振幅、调制频率和工件旋转频率有关，但独特的表达式不易处理。但是，可由h＝0时的序列时间值(sequential time value)的数值解确定具有调制的切削的持续时间。通过调制辅助机械加工控制碎片可显著影响机械加工碎片管理中的材料处理或在碎片尺寸和/或形状相关的应用中起重要作用。通常，对于给定的切削条件集合，碎片形成频率与调制频率对工件旋转频率的比值成比例。于是，每次工件旋转循环中破碎的碎片数目通过下式给出：fCB＝fm/fw其中fCB为每次工件旋转破碎碎片的频率(破碎数/转)。可通过降低工件旋转速度或增加调制频率来减小碎片长度。由于体积材料除去的总速率(total rate)不因调制变化，因此每个调制循环除去的体积可用于评价碎片形状。可由每个调制循环中切削进行的持续时间和相对切削速度估计碎片的合适长度L。碎片的实际形状(和长度)源于调制期间工具穿透的实际路径距离和因切削引起的应变作用之间的复杂关系。L≈2πfwTCB其中TCB为一个调制循环的切削持续时间(h＝0时的数值解时间值)，L为合适的碎片长度(mm)，fw为工件旋转频率(转数/秒)。
下面的例子说明用于直接生产纳米晶碎片的调制辅助机械加工条件。工件半径(r)为约6.35mm，切削条件指定为切口径向深度为约0.050mm、进给率(a)为约0.015mm/转，工件的旋转频率(fw)为约40rpm。调制振幅必须满足有效碎片形成的充分条件，即2A大于或等于“a”，“a”大于或等于vf/fw。在这种情况下，用制动器(actuator)规定2A＝0.045mm的振幅(0.045大于0.015)，此时稍微大于必需振幅将补偿系统顺应性。选择调制频率为99Hz的奇数，以便避免fm/fw偶数倍的可能性(注意，调制对工件旋转频率fm/fw的任何奇数倍都是可接受的，选择99Hz作为例子；此外，fm/fw的任何实际值都可导致碎片形成，取决于振幅和h(t)的数值解)。
得到的碎片(颗粒)为矩形棱柱形状。得到的碎片尺寸依赖于由于切削引起的应变。通常，切口的规定深度、工件旋转速度和调制条件是影响碎片形状的主要因素。对于给定工件半径，碎片长度的估计值为工件旋转频率、时间和切削条件的函数。在这个例子中，碎片形成发生在TCB＝0.0053秒处，估计的碎片长度(根据L≈2πfw TCB＝2π(6.35)(40/60)(0.0053)＝0.141mm。
重要的是注意，在数学模型中，可通过改变调制条件直接控制碎片长度，并且在工件几何形状的限制内可得到基本上任何碎片长度。
为了生产机械加工碎片，如上面例子中的颗粒，建议应局部施加调制到切削工具上。技术可用于在现有技术机床系统的基础设计中结合调制能力。这些包括在线性驱动技术或高速机床滑动元件中的最新进展。目前，在机床中应用线性驱动是对速度、精确度和重复性的日益增加的要求的结果。但是，重点不在开发相关的固有调制能力上。Etrema Products，Inc.(Ames，Iowa，USA)目前销售基于车床机械加工应用中的磁限性制动器(magnetorestrictive actuator)技术的ActiveMachining Systems(AMS，主动机械加工系统)来形成桶成型同时车削。这种系统可潜在地被改进用于调制辅助机械加工。但是，设备的尺寸限制了潜在的机械加工应用。类似地，Polytec PI，Inc.(PhysikInstrumente，Auburn，Massachusetts，USA)设计并销售用于车床机械加工应用的定制快速工具伺服滑动件，其使用增加滑动速度的压电转换器技术或伺服电动机机理的替代方案。尽管提到的两种商业工具滑动系统都可能潜在地被改进而适于在机械加工过程中的调制，但它们受较高成本和定制设计要求所限制。
鉴于上述内容，通过调制的机械加工直接生产纳米晶碎片创造了基本上(virtually)任何金属或金属合金可被直接机械加工成具有所需尺寸和形状的纳米晶碎片的加工途径。生产纳米晶碎片的益处包括产生具有优异机械和物理性能的材料，同时避免在通常与基材最终用途或机械加工性有关的金属或金属合金本体材料上的昂贵初级加工操作(例如，溶液处理、时效硬化、退火、热处理)。利用本发明，可通过施加调制和切削条件的各种形式控制碎片的尺寸和形状。在没有当尝试使用常规粉碎方法如球磨、碾磨、喷射研磨等粉碎纳米晶碎片时遇到的限制的情况下，实现这种能力。这类限制包括延性材料的固有局限、不能产生碎片的特定尺寸和/或形状以及由于受限能力导致的固有可缩放性(scalability)缺乏。
此外，本发明的调制机械加工技术具有超过用于生产纳米晶颗粒的常规技术如气相凝结和高能球磨的优点。例如，本发明的调制机械加工技术能在基本上任何金属或金属合金中形成纳米晶碎片，而目前的凝结方法尤其在金属合金的生产中受到限制。与为了生产纳米晶碎片而要求明显较大能量输入的气相凝结或高能球磨相比，本发明的调制机械加工技术在由延性材料生产纳米晶碎片时尤其能量有效。
除了省略纳米晶碎片的辅助粉碎加工(例如束的破碎、击碎或通过高能球磨或碾磨粉碎)的能力外，本发明还提供实现改善的碎片尺寸分布的能力。其它有利方面包括使方法适应现有或新的计算机数值控制的(CNC)机械加工资本(capital)的能力、最小的碎片生产厂房面积要求和与现有技术间歇方法相对的连续方法，从而提供了更快的产品转换、更大的灵活性和对变化的市场需求更快的反应。
尽管根据具体实施方案描述了本发明，但显然，本领域技术人员可采用其它形式。因此，本发明的范围仅仅由下面的权利要求限定。

Claims (18)

1.一种机械加工物体以可控制地产生具有确定形状和尺寸的碎片的方法，方法包括：
通过机械加工所述物体产生所需形状和尺寸中至少一个的碎片；和
在进给速度方向上施加正弦调制z(t)＝A cos(2πfmt)到切削工具上，以便相对于正用切削工具进行机械加工的所述物体移动切削工具并造成在切削工具和物体之间接触密切区域处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性的啮合和分离，其中切削工具和物体之间的每次周期性的分离都产生碎片，通过施加调制和切削条件控制所述碎片的尺寸和形状，所述调制条件包括振幅和频率，并且所述碎片的所需形状选自片、针、带、丝、纤维、线和等轴颗粒，其中z(t)为工具的瞬时位置，A为调制峰间振幅的一半，A的单位为mm，fm为以循环数/秒表示的调制频率，fm的单位为Hz，t为时间，t的单位为秒。
2.根据权利要求1的方法，其中通过施加步骤产生的碎片完全由纳米晶微结构组成。
3.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1厘米。
4.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1毫米。
5.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.1毫米。
6.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.01毫米。
7.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.001毫米。
8.根据权利要求1的方法，其中物体是固定的，切削工具围绕其轴旋转，所述调制包括沿其轴移动切削工具。
9.根据权利要求1的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括平行于物体的轴移动切削工具。
10.根据权利要求1的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括横向于物体的轴移动切削工具。
11.一种机械加工物体以可控制地产生具有确定长度、形状和尺寸的碎片的方法，方法包括：
通过机械加工所述物体产生所需形状和尺寸中至少一个的碎片；和
旋转切削工具和所述物体中的至少一个，并且在进给速度方向上施加包括振幅和频率的正弦调制z(t)＝A cos(2πfmt)到切削工具上，造成所述切削工具和正用所述切削工具进行机械加工的物体之间的相对移动，造成所述未切削的碎片的厚度是时间的函数，和造成在所述切削工具和所述物体之间接触密切区域处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性的啮合和分离，其中所述切削工具和所述物体之间的每次周期性的分离都产生基本由纳米晶微结构组成的碎片，所述碎片的所需长度是通过改变的调制条件来控制的，通过施加调制和切削条件的控制所述碎片的尺寸和形状，所述调制条件包括振幅和频率，并且所述碎片的所需形状选自片、针、带、丝、纤维、线和等轴颗粒，其中z(t)为工具的瞬时位置，A为调制峰间振幅的一半，A的单位为mm，fm为以循环数/秒表示的调制频率，fm的单位为Hz，t为时间，t的单位为秒。
12.根据权利要求11的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1厘米。
13.根据权利要求11的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1毫米。
14.根据权利要求11的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.1毫米。
15.根据权利要求11的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.01毫米。
16.根据权利要求11的方法，其中物体是固定的，切削工具围绕其轴旋转，所述调制包括沿其轴移动切削工具。
17.根据权利要求11的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括平行于物体的轴移动切削工具。
18.根据权利要求11的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括横向于物体的轴移动切削工具。
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