影响加工表面层物理力学性能的因素分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理力学性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。磨削时由于磨削温度较高，极易引起表面层的金相组织的变化和表面的氧化，严重时会造成工件报废。

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理力学性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更为严重。下面主要讨论加工表面层上述三方面的变化而导致的表面层物理力学性能的变化。

1.加工表面的加工硬化

机械加工过程中表面层的金属因受到切削力的作用而产生塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为加工硬化（或称为冷作硬化或强化）。表面层金属产生加工硬化，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。

加工硬化后的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化（或回复现象）。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和加工硬化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，因此，加工后表层金属的最后性质取决于加工硬化和弱化综合作用的结果。

2.影响加工硬化的主要因素

（1）刀具

刀具的刃口圆角和后刀面的磨损对表面层的加工硬化有很大影响。刀具刃口圆弧半径γε较大时，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致加工硬化增强。刀具后刀面磨损VB增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致加工硬化增强。但当后刀面的磨损超过一定值时，摩擦热急剧增大，从而使得硬化的表面得以回复，所以显微硬度并不继续随VB的增大而增大。

（2）切削用量

在切削用量中，影响较大的是切削速度和进给量。切削速度增大，则表面层的硬化程度和深度都有所减小。这是由于一方面切削速度增大会使温度增高，有助于加工硬化的回复；另一方面由于切削速度的增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小。但切削速度高于100 m/min时，由于切削热在工件表面层上的作用时间缩短使回复作用降低，将使加工硬化程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，加工硬化程度增加。

（3）工件材料

工件材料的塑性越大，切削加工中的塑性变形就越大，加工硬化现象就越严重。碳钢中含碳量越高，强度越高，其加工硬化程度越小。有色金属熔点较低，容易回复，故加工硬化程度要比结构钢小得多。

3.表面层材料金相组织的变化

金相组织的变化主要受温度的影响。磨削时由于磨削温度较高，极易引起表面层的金相组织的变化和表面的氧化，严重时会造成工件报废。

（1）磨削烧伤

当被磨削工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度发生变化，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。

（2）回火烧伤

如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。

（3）淬火烧伤

如果磨削区温度超过了相变温度，再加上切削液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。

（4）退火烧伤

如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无切削液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。

影响加工表面层物理力学性能的因素分析

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