CHAPTER 3-3_表層金屬力學(xué)物理性能

1、一、加工表面層的冷作硬化二、表層金屬的金相組織變化三、表層金屬的殘余應(yīng)力四、表面強(qiáng)化工藝（一）概述（二）影響切削加工表面冷作硬化的因素（三）影響磨削加工表面冷作硬化的因素（四）冷作硬化的測(cè)量方法機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長(zhǎng)，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度增加，統(tǒng)稱為冷作硬化（或稱為強(qiáng)化）。表層金屬冷作硬化的結(jié)果，會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)（如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）也有所變化。金屬冷作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化。機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱，

2、將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)。由于金屬在機(jī)械加工過(guò)程中同時(shí)受到力因素和熱因素的作用，機(jī)械加工后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化兩個(gè)過(guò)程的綜合。評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：1）表層金屬的顯微硬度HV；2）硬化層深度h（m）；3）硬化程度N。式中式中HV0-工件內(nèi)部金屬原來(lái)的硬度。工件內(nèi)部金屬原來(lái)的硬度。%10000HVHVHVN1切削用量的影響 切削用量中以進(jìn)給量和切削速度的影響為最大。 圖4-9給出了在切削45鋼時(shí)，進(jìn)給量和切削速度對(duì)冷作硬化的影響。由圖可知，加大進(jìn)給量時(shí)，表層金屬的顯微硬度將隨之增加。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬程度

3、增大。但是，這種情況只是在進(jìn)給量比較大時(shí)才是正確的；如果進(jìn)給量很小，比如切削厚度小于0.050.06mm時(shí)，若繼續(xù)減小進(jìn)給量。則表層金屬的冷硬程度不僅不會(huì)減小，反而會(huì)增大。當(dāng)切削速度增大時(shí)，刀具與工件的作用時(shí)間減少，使塑性變形的擴(kuò)展深度減小，因而冷硬層深度減??；當(dāng)然，切削速度增大時(shí)，切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短了，將使冷硬程度增加。在圖4-9及圖4-10加工條件下，當(dāng)切削速度增大時(shí)，都出現(xiàn)了冷硬程度隨之增大的情況。但在某些加工條件下，切削速度對(duì)冷硬的影響規(guī)律卻與此相反。例如，車削Q235A鋼在切削速度為 14mmin時(shí)，冷硬層深度達(dá)到 100m；而切削速度提高到 208mmin時(shí)，冷硬

4、層深度才只有38m，冷硬程度也顯著降低。切削速度對(duì)冷硬程度的影響是力因素和熱因素綜合作用的結(jié)果。背吃刀量對(duì)表層金屬冷作硬化的影響不大。2刀具幾何形狀的影響 切削刃鈍圓半徑的大小對(duì)切屑形成過(guò)程的進(jìn)行有決定性影響。實(shí)驗(yàn)證明，已加工表面的顯微硬度隨著切削刃鈍圓半徑的加大而明顯地增大。這是因?yàn)榍邢魅锈g圓半徑增大，徑向切削分力也將隨之加大，表層金屬的塑性變形程度加句劇，導(dǎo)致冷硬增大。 前角在士20圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)表層金屬的冷硬沒有顯著的影響。刀具磨損對(duì)表層金屬；的冷硬影響很大。圖4-11是前蘇聯(lián)學(xué)者.C.試驗(yàn)所得結(jié)果。由圖可知，刀具后刀面磨損寬度VB從0增大到0.2mm，表層金屬的顯微硬度由220HV增大

5、到HV340。這是由于磨損寬度加大之后，刀具后刀面與被加工工件的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致表面冷硬增大。但磨損寬度繼續(xù)加大，摩擦熱急劇增大，弱化趨勢(shì)明顯增大，表層金屬的顯微硬度逐漸下降，直至穩(wěn)定在某一水平上。后角、主、副偏角r、r以及刀尖圓弧半徑re等對(duì)表層金屬的冷硬影響不大。3加工材料性能的影響 。1工件材料性能的影響 分析工件材料對(duì)磨削表面冷作硬化的影響，可以從材料的塑性和導(dǎo)熱性兩個(gè)方面著手進(jìn)行。磨削高碳工具鋼T8，加工表面冷硬程度平均可達(dá)6065，個(gè)別可達(dá)100；而磨削純鐵時(shí)，加工表面冷硬程度可達(dá)7580，有時(shí)可達(dá)140正50。其原因是純鐵的塑性好，磨削時(shí)的塑性變形大，強(qiáng)化傾向大；此外

6、，純鐵的導(dǎo)熱性比高碳工具鋼高，熱不容易集中于表面層，弱化傾向小。2磨削用量的影響 加大磨削深度，磨削力隨之增大，磨削過(guò)程的塑性變形加劇，表面冷硬傾向增大，圖4-12是磨削高碳工具鋼T8的實(shí)驗(yàn)曲線。 加大縱向進(jìn)給速度，每顆磨粒的切屑厚度隨之增大，磨削力加大，冷硬增大。但提高縱向進(jìn)給速度，有時(shí)又會(huì)使磨削區(qū)產(chǎn)生較大的熱量而使冷硬減弱。加工表面的冷硬狀況要綜合考慮上述兩種因素的作用。 提高工件轉(zhuǎn)速，會(huì)縮短砂輪對(duì)工件熱作用的時(shí)間，使軟化傾向減弱，因而表面層的冷硬增大。3.砂輪粒度的影響 砂輪的粒度越大，每顆磨粒的載荷越小，冷硬程度也越小。 表3-2 用各種機(jī)械加工方法加工鋼件的表面層冷作硬化情況 冷作硬

7、化的測(cè)量主要是指表面層的顯微硬度HV和硬化層深度h的測(cè)量，硬化程度N可由表面層的顯微硬度HV和工件內(nèi)部金屬原來(lái)的顯微硬度HV0。通過(guò)式（4-3）計(jì)算求得。 表面層顯微硬度HV的常用測(cè)定方法是用顯微硬度計(jì)來(lái)測(cè)量，它的測(cè)量原理與維氏硬度計(jì)相同，都是采用頂角為136的金剛石壓頭在試件表面上打印痕，根據(jù)印痕的大小決定硬度值。所不同的只是顯微硬度計(jì)所用的載荷很小，一般都只在2N以內(nèi)（維氏硬度計(jì)的載荷約為501200N），印痕極小。加工表面冷硬層很薄時(shí)，可在斜截面上測(cè)量顯微硬度。對(duì)于平面試件可按圖4-13a磨出斜面，然后逐點(diǎn)測(cè)量其顯微硬度，并將測(cè)量結(jié)果繪制如圖4-13b所示圖形。斜切角常取為030230。

8、采用斜截面測(cè)量法，不僅可測(cè)量顯微硬度，還能較為準(zhǔn)確地測(cè)出硬化層深度h。由圖4-13a可知h=lsin+Rz（一）機(jī)械加工表面金相組織的變化 機(jī)械加工過(guò)程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度升高到超過(guò)工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。 對(duì)于已淬火的鋼件，很高的磨削溫度往往會(huì)使表層金屬的金相組織產(chǎn)生變化，使表層金屬硬度下降，使工件表面呈現(xiàn)氧化膜顏色，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。 磨削淬火鋼時(shí)，在工件表面層形成的瞬時(shí)高溫將使表層金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：（l）如果磨削區(qū)的溫度未超過(guò)淬火鋼的相變溫度（碳鋼的相變溫度為720C），但已超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度（中碳鋼為3

9、00C入工件表層金屬的馬氏體將轉(zhuǎn)化為硬底較低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱為。 （2）如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來(lái)的回火馬氏體高；在它的下層。由冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原來(lái)的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱為。 （3）如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，而磨削過(guò)程又沒有冷卻液，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表層金屬的硬度將急劇下降，這稱為。（二）改善磨削燒傷的工藝途徑 1正確選擇砂輪 磨削導(dǎo)熱性差的材料（如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等）；容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，應(yīng)特別注意合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。硬度太高的砂輪，砂輪鈍化之

10、后不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。為避免產(chǎn)生燒傷，應(yīng)選擇較軟的砂輪。選擇具有一定彈性的結(jié)合劑（如橡膠結(jié)合劑，樹脂結(jié)合劑），也有助于避免燒傷現(xiàn) 象的產(chǎn)生。2合理選擇磨削用量 今以平磨為例，來(lái)分析磨削用量對(duì)燒傷的影響。磨削深度p。對(duì)磨削溫度影響極大，如圖4-14所示。從減輕燒傷的角度考慮，p不宜過(guò)大。加大橫向進(jìn)給量ft對(duì)減輕燒傷有好處。圖4-15給 出了橫向進(jìn)給量ft對(duì)磨削溫度分布影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了減輕燒傷，宜選用較大的ft。加大工件的回轉(zhuǎn)速度w，磨削表面的溫度升高，但其增長(zhǎng)速度與磨削深度p。的影響相比小得多；且w越大，熱量越不容易傳入工件內(nèi)層，具有減小燒傷層深度的作用。但增大工件速度s。會(huì)使表面粗糙度

11、增大，為了彌補(bǔ)這一缺陷，可以相應(yīng)提高砂輪速度s。實(shí)踐證明。同時(shí)提高砂輪速度s和工件速度w，可以避免燒傷。從減輕燒傷而同時(shí)又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時(shí)，應(yīng)選用較大的工件速度w和較小的磨削深度ap。3.改善冷卻條件 目前通用的冷卻方法（圖4-16）效果很差，實(shí)際上沒有多少磨削液能夠真正進(jìn)入磨削區(qū)。內(nèi)冷卻4開槽砂輪 在砂輪的圓周上開一些橫槽，能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)，對(duì)防止工件燒傷十分有效。在機(jī)械加工過(guò)程中，當(dāng)表層金屬組織發(fā)生形狀變化、體積變化或金相組織變化時(shí)，將在表面層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的。 機(jī)械加工時(shí)在加工表面的金屬層內(nèi)有塑性變形產(chǎn)生，使表層金屬的比容增大。由于塑

12、性變形只在表面層中產(chǎn)生，而表面層金屬的比容增大和體積膨脹。不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻礙，這樣就在表面層內(nèi)產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔锨谐饘贂r(shí)，表層金屬的纖維被拉長(zhǎng)，刀具后刀面與已加工表面的摩擦又加大了這種拉伸作用。刀具切離之后，拉伸彈性變形將逐漸恢復(fù)，而拉伸塑性變形則不能恢復(fù)。表面層金屬的拉伸塑性變形，受到與它相連的里層未發(fā)生塑性變形金屬的阻礙，因此就在表層金屬中產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。2. 切削熱在機(jī)械加工中，切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，工件表面的溫度往往很高。圖4-19a為工件上溫度分布示意圖。tp點(diǎn)相當(dāng)于

13、金屬具有高塑性的溫度，溫度高于tp的表層金屬不會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。tn為標(biāo)準(zhǔn)室溫，tm為金屬熔化溫度。由圖4-19的溫度分析圖可知：1）表層金屬1的溫度超過(guò)tp，表層金屬1處于沒有殘余應(yīng)力作用的完全塑性狀態(tài)中；2）金屬層2的溫度在tn和tp之間，這層金屬受熱之后體積要膨脹，由于表層金屬1處于完全塑性狀態(tài)，故它對(duì)金屬層2的受熱膨脹不起任何阻止作用。但金屬層2的膨脹要受到處于室溫狀態(tài)的里層金屬3的阻止，金屬層2由于膨脹受阻將產(chǎn)生瞬時(shí)壓縮殘余應(yīng)力，而金屬層3則受金屬層2的牽連產(chǎn)生瞬時(shí)拉伸殘余應(yīng)力，如圖419b所示。3）切削過(guò)程結(jié)束之后，工件表面的溫度開始下降。當(dāng)金屬層1的溫度低于tp時(shí)，金屬層1將從完

14、全塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆苄誀顟B(tài)。金屬層1的冷卻使其體積收縮，但它的收縮受到金屬層2的阻礙。這樣金屬層1內(nèi)就產(chǎn)生了拉伸殘余應(yīng)力，而在金屬層2內(nèi)的壓縮殘余應(yīng)力將進(jìn)一步增大，如圖4-19C所示。4）表層金屬繼續(xù)冷卻，表層金屬1繼續(xù)收縮，它仍將受到里層金屬的阻礙，因此金屬層1的拉伸應(yīng)力還要繼續(xù)加大。而金屬層2的壓縮應(yīng)力則擴(kuò)展到金屬層2和金屬層3內(nèi)，在室溫下，由于切削熱引起的表層金屬殘余應(yīng)力狀態(tài)，如圖4-19d所示。 不同的金相組織具有不同的密度（馬氏體=7.75tm3，奧氏體=7.96tm3， 鐵素體=7.88tm3，珠光體=7.78m3），也就會(huì)具有不同的比容。如果在機(jī)械加工中，表層金屬產(chǎn)生了金相組

15、織的變化，表層金屬的比容將隨之發(fā)生變化，而表層金屬的這種比容變化必然會(huì)受到與之相連的基體金屬的阻礙，因此就會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。 在磨削淬火鋼時(shí)，因磨削熱有可能使表層金屬產(chǎn)生回火燒傷，工件表層金屬組織將由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏楣怏w的托氏體或索氏體，表層金屬密度從7.75tm3增至7.78t/m3，比容減小。表面層金屬由于相變而產(chǎn)生的收縮受到基體金屬的阻礙，因而在表層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，里層金屬則產(chǎn)生與之相平衡地壓縮殘余應(yīng)力。如果磨削時(shí)表層金屬的溫度超過(guò)相變溫度，且冷卻又很充分，表層金屬將因急冷形成淬火馬氏體，密度減小，比容增大，那么，表面金屬將產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，而里層金屬則產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。 1切削

16、速度和被加工材料的影響 用正前角車刀加工45鋼的切削試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有的切削速度下，工件表層金屬均產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，這說(shuō)明切削熱因素在切削過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在同樣的切削條件下加工18CrNiMoA鋼時(shí)，表面殘余應(yīng)力狀態(tài)卻發(fā)生了變化。圖4-20是車削18CrNiMoA鋼工件的殘余應(yīng)力分布圖。在采用正前角車刀以較低的切削速度（620mmin）車削18CrNiMoA鋼時(shí)，工件表面將產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，但隨著切削速度的增大，拉伸應(yīng)力值逐漸減小。在切削速度為200250mmin時(shí)表面層呈現(xiàn)壓縮殘余應(yīng)力（圖a）；在高速（500850mmin）。車削時(shí)，表面也將產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力（圖b）。這說(shuō)明在低速車削時(shí)，

17、切削熱的作用起主導(dǎo)作用，表層產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。隨著切削速度的提高，表層溫度逐漸提高至淬火溫度，表層金屬產(chǎn)生局部淬火，金屬的比容開始增大，金相組織變化因素開始起作用，致使拉伸殘余應(yīng)力的數(shù)值逐漸減小。當(dāng)高速切削時(shí)，表層金屬的淬火進(jìn)行得較充分。表面層金屬的比容增大，金相組織變化因素起主導(dǎo)作用，因而在表層金屬中產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力。前角對(duì)表層金屬殘余應(yīng)力的影響極大，圖4-21是車刀前角對(duì)殘余成力影響的試驗(yàn)曲線。以150mmin的切削速度車削45鋼時(shí)，、當(dāng)前角由正值變?yōu)樨?fù)值或繼續(xù)增大負(fù)前角，拉伸殘余應(yīng)力的數(shù)值減?。▓Da）。當(dāng)以750mmin的切削速度車削 45鋼時(shí)，前角的變化將引起殘余應(yīng)力性質(zhì)的變化。刀具

18、負(fù)前角很大（=-30和=-50）時(shí)，表層金屬發(fā)生淬火反應(yīng)，表層金屬產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力（圖b）。車削容易發(fā)生淬火反應(yīng)的18CrNiMoA合金鋼時(shí)，在150mmin的切削速度下，用前角=-30的車刀切削，就能使表面層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力（圖 c）；而當(dāng)切削速度加大到 750mmin時(shí)，用負(fù)前角車刀加工都會(huì)使表面層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力；只有在采用較大的正前角車刀加工時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力（圖d）。前角的變化不僅影響殘余應(yīng)力的數(shù)值和符號(hào)，而且在很大程度上影響殘余應(yīng)力的擴(kuò)展深度。此外，切削刃鈍圓半徑rn，刀具磨損狀態(tài)等都對(duì)表層金屬殘余應(yīng)力的性質(zhì)及分布有影響。磨削加工中，塑性變形嚴(yán)重且熱量大，工件表面溫度高，熱因

19、素和塑性變形對(duì)磨削表面殘余應(yīng)力的影響都很大。在一般磨削過(guò)程中，若熱因素起主導(dǎo)作用，工件表面將產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力；若塑性變形起主導(dǎo)使用，工件表面將產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力；當(dāng)工件表面溫度超過(guò)相變溫度且又冷卻充分時(shí)，工件表面出現(xiàn)淬火燒傷，此時(shí)金相組織變化因素起主要作用，工件表面將產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。在精細(xì)磨削時(shí)，塑性變形起主導(dǎo)作用，工件表層金屬產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，工件材料的強(qiáng)度越高、導(dǎo)熱性越差、塑性越低，在磨削時(shí)表面金屬產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的傾向就越大。碳素工具鋼T8比工業(yè)鐵強(qiáng)度高，材料的變形阻力大，磨削時(shí)發(fā)熱量也大，且T8的導(dǎo)熱性比工業(yè)鐵差，磨削熱容易集中在表面金屬層，再加上T8的塑性低于工業(yè)鐵，因此磨

20、削碳素工具鋼T8時(shí)，熱因素的作用比磨削工業(yè)鐵明顯，表層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的傾向比磨削工業(yè)鐵大、如圖4-23所示。工件表層金屬的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。一般來(lái)說(shuō)，工件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于工件最終工序的加工方法。因此，工件最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要。如何選擇工件最終工序的加工方法，須考慮該零件的具體工作條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。在交變載荷的作用下，機(jī)器零件表面上存在的局部微觀裂紋，由于拉應(yīng)力的作用使原生裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面（尤其是應(yīng)力集中區(qū)）產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力的加工方法。兩個(gè)零件作相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)面將逐漸產(chǎn)生磨損?；瑒?dòng)磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，它既有滑動(dòng)摩擦的機(jī)械作用，又有物理化學(xué)方面的綜合作用（例如粘接磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損）?；瑒?dòng)摩擦工作應(yīng)力分布如圖4-24a所示，當(dāng)表面層的壓縮工作應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力時(shí)，將使表層金屬磨損。從提高零件抵抗滑動(dòng)摩擦引起的磨損考慮，最終工序