ch4-3 影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施

1、第三節(jié) 影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一、加工外表層的冷作硬化二、表層金屬的金相組織變化三、表層金屬的剩余應力四、外表強化工藝一、加工外表層的冷作硬化一概述二影響切削加工外表冷作硬化的因素三影響磨削加工外表冷作硬化的因素四冷作硬化的測量方法一概述機械加工過程中產(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，這些都會使外表層金屬的硬度增加，統(tǒng)稱為冷作硬化或稱為強化。表層金屬冷作硬化的結(jié)果，會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、導電性、導熱性等也有所變化。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

2、的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化。機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復。由于金屬在機械加工過程中同時受到力因素和熱因素的作用，機械加工后外表層金屬的最后性質(zhì)取決于強化和弱化兩個過程的綜合。評定冷作硬化的指標有以下三項：1表層金屬的顯微硬度HV；2硬化層深度hm；3硬化程度N。式中HV0-工件內(nèi)部金屬原來的硬度。二影響切削加工外表冷作硬化的因素1切削用量的影響 切削用量中以進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，進給量和切削速度對冷作硬化的影響。由圖可知，加大進給量時，表層金屬的顯微硬度將隨之增加。這是因為隨著進給量的增大，切削力也增大，表層

3、金屬的塑性變形加劇，冷硬程度增大。但是，這種情況只是在進給量比較大時才是正確的；如果進給量很小，比方切削厚度小于0.050.06mm時，假設繼續(xù)減小進給量。那么表層金屬的冷硬程度不僅不會減小，反而會增大。當切削速度增大時，刀具與工件的作用時間減少，使塑性變形的擴展深度減小，因而冷硬層深度減小；當然，切削速度增大時，切削熱在工件外表層上的作用時間也縮短了，將使冷硬程度增加。在圖4-9及圖4-10加工條件下，當切削速度增大時，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，冷硬層深度到達 100m；而切削速

4、度提高到 208mmin時，冷硬層深度才只有38m，冷硬程度也顯著降低。切削速度對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切屑形成過程的進行有決定性影響。實驗證明，已加工外表的顯微硬度隨著切削刃鈍圓半徑的加大而明顯地增大。這是因為切削刃鈍圓半徑增大，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，導致冷硬增大。 前角在士20圍內(nèi)變化時，對表層金屬的冷硬沒有顯著的影響。刀具磨損對表層金屬；的冷硬影響很大。圖4-11是前蘇聯(lián)學者.C.試驗所得結(jié)果。由圖可知，刀具后刀面磨損寬度VB從0增大到0.2mm，表

5、層金屬的顯微硬度由220HV增大到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，導致外表冷硬增大。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等對表層金屬的冷硬影響不大。3加工材料性能的影響 工件材料的塑性越大，冷硬傾向越大，冷硬程度也越嚴重。碳鋼中含碳量越大，強度越高，其塑性越小，因而冷硬程序越小。有色合金金屬的熔點低，容易弱化，冷作硬化現(xiàn)象比鋼材輕得多。三影響磨削加工外表冷作硬化的因素1工件材料性能的影響 分析工件材料對磨削外表冷作硬化的影響，可以從

6、材料的塑性和導熱性兩個方面著手進行。磨削高碳工具鋼T8，加工外表冷硬程度平均可達6065，個別可達100；而磨削純鐵時，加工外表冷硬程度可達7580，有時可達140正50。其原因是純鐵的塑性好，磨削時的塑性變形大，強化傾向大；此外，純鐵的導熱性比高碳工具鋼高，熱不容易集中于外表層，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，磨削過程的塑性變形加劇，外表冷硬傾向增大，圖4-12是磨削高碳工具鋼T8的實驗曲線。 加大縱向進給速度，每顆磨粒的切屑厚度隨之增大，磨削力加大，冷硬增大。但提高縱向進給速度，有時又會使磨削區(qū)產(chǎn)生較大的熱量而使冷硬減弱。加工外表的冷硬狀況要綜合考慮上述兩種因素

7、的作用。 提高工件轉(zhuǎn)速，會縮短砂輪對工件熱作用的時間，使軟化傾向減弱，因而外表層的冷硬增大。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 用各種機械加工方法加工鋼件的外表層冷作硬化情況四冷作硬化的測量方法 冷作硬化的測量主要是指外表層的顯微硬度HV和硬化層深度h的測量，硬化程度N可由外表層的顯微硬度HV和工件內(nèi)部金屬原來的顯微硬度HV0。通過式4-3計算求得。 外表層顯微硬度HV的常用測定方法是用顯微硬度計來測量，它的測量原理與維氏硬度計相同，都是采用頂角為136的金剛石壓頭在試件外表上打印痕，根據(jù)印痕的大小決定硬度值。所不同的只是顯微硬度計所用的載荷很小

8、，一般都只在2N以內(nèi)維氏硬度計的載荷約為501200N，印痕極小。加工外表冷硬層很薄時，可在斜截面上測量顯微硬度。對于平面試件可按圖4-13a磨出斜面，然后逐點測量其顯微硬度，并將測量結(jié)果繪制如圖4-13b所示圖形。斜切角常取為030230。采用斜截面測量法，不僅可測量顯微硬度，還能較為準確地測出硬化層深度h。由圖4-13a可知h=lsin+Rz二、表層金屬的金相組織變化一機械加工外表金相組織的變化 機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發(fā)生金相組織變化。 對于已淬火的鋼件，很高的磨削溫度往往會使表層金屬的金相組織產(chǎn)生

9、變化，使表層金屬硬度下降，使工件外表呈現(xiàn)氧化膜顏色，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。 磨削淬火鋼時，在工件外表層形成的瞬時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)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度碳鋼的相變溫度為720C，但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度中碳鋼為300C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，這稱為回火燒傷。 2如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來的回火馬氏體高；在它的下層。由冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原來的回火馬氏體低的回火組織索氏體或托氏體，這稱為淬火燒傷。 3如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削過程又

10、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，這稱為退火燒傷。二改善磨削燒傷的工藝途徑 1正確選擇砂輪 磨削導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，砂輪鈍化之后不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。為防止產(chǎn)生燒傷，應選擇較軟的砂輪。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，也有助于防止燒傷現(xiàn) 象的產(chǎn)生。2合理選擇磨削用量 今以平磨為例，來分析磨削用量對燒傷的影響。磨削深度p。對磨削溫度影響極大，如圖4-14所示。從減輕燒傷的角度考慮，p不宜過大。加大橫向進給量ft對減輕燒傷有好處。圖4-15給 出了橫向進

11、給量ft對磨削溫度分布影響的實驗結(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，磨削外表的溫度升高，但其增長速度與磨削深度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。會使外表粗糙度增大，為了彌補這一缺陷，可以相應提高砂輪速度s。實踐證明。同時提高砂輪速度s和工件速度w，可以防止燒傷。從減輕燒傷而同時又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時，應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，實際上沒有多少磨削液能夠真正進入磨削區(qū)。內(nèi)冷卻4開槽砂輪 在砂輪的圓周上開一些橫

12、槽，能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)，對防止工件燒傷十分有效。三、外表金屬的剩余應力在機械加工過程中，當表層金屬組織發(fā)生形狀變化、體積變化或金相組織變化時，將在外表層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的剩余應力。一表層金屬產(chǎn)生剩余應力的原因1.塑性變形 機械加工時在加工外表的金屬層內(nèi)有塑性變形產(chǎn)生，使表層金屬的比容增大。由于塑性變形只在外表層中產(chǎn)生，而外表層金屬的比容增大和體積膨脹。不可防止地要受到與它相連的里層金屬的阻礙，這樣就在外表層內(nèi)產(chǎn)生了壓縮剩余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸剩余應力。當?shù)毒邚谋患庸ね獗砩锨谐饘贂r，表層金屬的纖維被拉長，刀具后刀面與已加工外表的摩擦又加大了這種拉伸作用。刀具切離之后

13、，拉伸彈性變形將逐漸恢復，而拉伸塑性變形那么不能恢復。外表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)生了壓縮剩余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸剩余應力。2. 切削熱在機械加工中，切削區(qū)會產(chǎn)生大量的切削熱，工件外表的溫度往往很高。圖4-19a為工件上溫度分布示意圖。tp點相當于金屬具有高塑性的溫度，溫度高于tp的表層金屬不會有剩余應力產(chǎn)生。tn為標準室溫，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tp，表層金屬1處于沒有剩余應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

14、處于完全塑性狀態(tài)，故它對金屬層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)生瞬時壓縮剩余應力，而金屬層3那么受金屬層2的牽連產(chǎn)生瞬時拉伸剩余應力，如圖419b所示。3切削過程結(jié)束之后，工件外表的溫度開始下降。當金屬層1的溫度低于tp時，金屬層1將從完全塑性狀態(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)生了拉伸剩余應力，而在金屬層2內(nèi)的壓縮剩余應力將進一步增大，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的拉伸應力還要繼續(xù)加

15、大。而金屬層2的壓縮應力那么擴展到金屬層2和金屬層3內(nèi)，在室溫下，由于切削熱引起的表層金屬剩余應力狀態(tài)，如圖4-19d所示。3. 金相組織 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，也就會具有不同的比容。如果在機械加工中，表層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，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受到與之相連的基體金屬的阻礙，因此就會有剩余應力產(chǎn)生。 在磨削淬火鋼時，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.

16、78t/m3，比容減小。外表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)生拉伸剩余應力，里層金屬那么產(chǎn)生與之相平衡地壓縮剩余應力。如果磨削時表層金屬的溫度超過相變溫度，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，外表金屬將產(chǎn)生壓縮剩余應力，而里層金屬那么產(chǎn)生拉伸剩余應力。二影響表層金屬剩余應力的工藝因素 1切削速度和被加工材料的影響 用正前角車刀加工45鋼的切削試驗結(jié)果說明，在所有的切削速度下，工件表層金屬均產(chǎn)生拉伸剩余應力，這說明切削熱因素在切削過程中起主導作用。在同樣的切削條件下加工18CrNiMoA鋼時，外表剩余應力狀態(tài)卻發(fā)生了變化。圖4-

17、20是車削18CrNiMoA鋼工件的剩余應力分布圖。在采用正前角車刀以較低的切削速度620mmin車削18CrNiMoA鋼時，工件外表將產(chǎn)生拉伸剩余應力，但隨著切削速度的增大，拉伸應力值逐漸減小。在切削速度為200250mmin時外表層呈現(xiàn)壓縮剩余應力圖a；在高速500850mmin。車削時，外表也將產(chǎn)生壓縮剩余應力圖b。這說明在低速車削時，切削熱的作用起主導作用，表層產(chǎn)生拉伸剩余應力。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，致使拉伸剩余應力的數(shù)值逐漸減小。當高速切削時，表層金屬的淬火進行得較充分。外表層金屬的比容增

18、大，金相組織變化因素起主導作用，因而在表層金屬中產(chǎn)生了壓縮剩余應力。2.前角的影響前角對表層金屬剩余應力的影響極大，圖4-21是車刀前角對剩余成力影響的試驗曲線。以150mmin的切削速度車削45鋼時，、當前角由正值變?yōu)樨撝祷蚶^續(xù)增大負前角，拉伸剩余應力的數(shù)值減小圖a。當以750mmin的切削速度車削 45鋼時，前角的變化將引起剩余應力性質(zhì)的變化。刀具負前角很大=-30和=-50時，表層金屬發(fā)生淬火反響，表層金屬產(chǎn)生壓縮剩余應力圖b。車削容易發(fā)生淬火反響的18CrNiMoA合金鋼時，在150mmin的切削速度下，用前角=-30的車刀切削，就能使外表層產(chǎn)生壓縮剩余應力圖 c；而當切削速度加大到

19、750mmin時，用負前角車刀加工都會使外表層產(chǎn)生壓縮剩余應力；只有在采用較大的正前角車刀加工時，才會產(chǎn)生拉伸剩余應力圖d。前角的變化不僅影響剩余應力的數(shù)值和符號，而且在很大程度上影響剩余應力的擴展深度。此外，切削刃鈍圓半徑rn，刀具磨損狀態(tài)等都對表層金屬剩余應力的性質(zhì)及分布有影響。三影響磨削剩余應力的工藝因素磨削加工中，塑性變形嚴重且熱量大，工件外表溫度高，熱因素和塑性變形對磨削外表剩余應力的影響都很大。在一般磨削過程中，假設熱因素起主導作用，工件外表將產(chǎn)生拉伸剩余應力；假設塑性變形起主導使用，工件外表將產(chǎn)生壓縮剩余應力；當工件外表溫度超過相變溫度且又冷卻充分時，工件外表出現(xiàn)淬火燒傷，此時金

20、相組織變化因素起主要作用，工件外表將產(chǎn)生壓縮剩余應力。在精細磨削時，塑性變形起主導作用，工件表層金屬產(chǎn)生壓縮剩余應力。1磨削用量的影響2工件材料的影響一般來說，工件材料的強度越高、導熱性越差、塑性越低，在磨削時外表金屬產(chǎn)生拉伸剩余應力的傾向就越大。碳素工具鋼T8比工業(yè)鐵強度高，材料的變形阻力大，磨削時發(fā)熱量也大，且T8的導熱性比工業(yè)鐵差，磨削熱容易集中在外表金屬層，再加上T8的塑性低于工業(yè)鐵，因此磨削碳素工具鋼T8時，熱因素的作用比磨削工業(yè)鐵明顯，表層金屬產(chǎn)生拉伸剩余應力的傾向比磨削工業(yè)鐵大、如圖4-23所示。四工件最終工序加工方法的選擇工件表層金屬的剩余應力將直接影響機器零件的使用性能。一般

21、來說，工件外表剩余應力的數(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，機器零件外表上存在的局部微觀裂紋，由于拉應力的作用使原生裂紋擴大，最后導致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應選擇能在加工外表尤其是應力集中區(qū)產(chǎn)生壓縮剩余應力的加工方法。兩個零件作相對滑動，滑動面將逐漸產(chǎn)生磨損。滑動磨損的機理十分復雜，它既有滑動摩擦的機械作用，又有物理化學方面的綜合作用例如粘接磨損、擴散磨損、化學磨損。滑動摩擦工作應力分布如圖4-24a所示，當外表層的壓縮工作應力超過材料的許用應力時，將使表層金屬磨損。從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在加工外表上產(chǎn)生拉伸剩余應力的加工方法。從抵抗擴散磨損、化學磨損、粘接磨損考慮，對剩余應力的性質(zhì)無特殊