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切削加工表面完整性研究现状

4 加工硬化研究

工件已加工表面层和表层以下金属在切削力的作用下会产生塑形变形，使得表层和次表层的金属硬度提高的现象叫做加工硬化。加工硬化是塑性变形的强化作用、切削热的软化作用以及金属相变综合作用的结果。其中，塑形变形和切削热的热-力耦合作用对加工硬化的影响较为显着。表面加工硬化是评价机械加工表面完整性的重要指标之一。加工硬化的评价指标有显微硬度、加工硬化深度和加工硬化率，其中加工硬化率一般采用加工后的表面显微硬度与原始显微硬度之比的百分数来表示。

4.1加工硬化的影响因素研究

国内外学者研究了切削条件（切削速度、进给量、背吃刀量、刀具磨损以及冷却润滑条件等因素）、刀具参数等因素对加工硬化的影响。

切削条件中切削速度、进给量对加工硬化的影响最为显著，切削速度增加时，塑性变形减小，塑性变形区也缩小，因此，硬化层深度减小。另一方面，切削速度增加时，切削温度升高，弱化过程加快；但切削速度增加，又会使导热时间缩短，因而弱化来不及进行[16]。当切削温度超过Ac3时，表面层组织将产生相变，形成淬火组织，因此，硬化层深度及硬化程度又将增加；硬化层深度先是随切削速度的增加而减小，然后又随切削速度的增加二增大。当进给量较大时，通过增大进给量，能够提高切削力，表面层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增加；而当进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度的挤压次数增多，硬化现象也会相应的增加。另外，采取有效的冷却润滑措施，可使加工硬化层深度减少。

刀具参数也是影响加工硬化的重要因素，袁子洲[17]指出，刀具的前角越大，切削层金属的塑性变形越小，故硬化层深度HV越小。当前角从-60°增大到0°时，表面金属的显微硬度HV从730减至450，硬化层深度从200μm减到50μm。刀刃钝圆半径rβ越大，已加工表面再形成过程中受挤压的程度越大，故已加工硬化层也越大。随着刀具后刀面磨损量VB的增加，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，从而加工硬化层深度增大，刀具厚道面磨损宽度VB由220增大到340。单磨损宽度VB继续增大，摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增加，表层金属的显微硬度HV逐渐下降，直至稳定在某一水平。

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4.2 材料特性对工件加工硬化的影响

工件的加工硬化一方面会给进一步加工带来困难，并使工件表层变得脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等；另一方面，工件的加工硬化能够提高金属材料的强度、硬度以及耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金就显得尤为重要。工件材料的塑性会影响强化指数，进而影响其加工硬化特性，影响因素如材料的含碳量，含碳量越高，塑形越低；工件材料的熔点与切削热软化作用有关，熔点越高，则越不易发生软化；在一定温度下得到的金相组织的特性则直接影响了加工后材料的硬度特性。工件材料的塑性越大，强化指数越大，则硬化越严重。对于一般碳素结构钢，碳含量越少，塑性越大，硬化层越严重[18]。高锰钢Mn12的强化指数很大，切削后已加工表面的硬度增高2倍以上，有色合金金属的熔点低，容易弱化，加工硬化比结构钢轻得多，铜件比钢件小30%，铝件比钢件小75%左右。

4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究

加工硬化在工件深度方向的分布规律与以上各种因素有关。在不同的加工条件下以及加工不同的工件材料得到的显微硬度沿深度方向的分布规律不同。薛文斌使用X射线衍射仪和显微硬度计测定了LY12铝合金微等离子体氧化陶瓷膜沿深度方向的相分布及显微硬度变化曲线；结果表明，铝合金微等离子体氧化陶瓷膜主要由α-Al2O3、γ- Al2O3相组成，从表层到里层，α-Al2O3相含量逐渐增加；膜的显微硬度沿深度方向变化同α-Al2O3含量变化一致，致密层中显微硬度大于HV1500，极值点达到HV2300[19]。盛文斌[20]等在2007年研究了金属型离心铸造TiAl 基合金显微硬度分布规律，利用离心铸造的方法，浇注了目标成分为

Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)的合金，并对其进行热等静压(HIP)处理(1 270 ℃/173 M Pa /4 h)，研究了样品截面内的显微硬度分布规律，以及热等静压工艺对其显微硬度分布的影响；结果表明，由于金属型离心铸造TiAl 基合金内部往往存在难以消除的微观缩松，铸态样品横截面内的显微硬度分布不存在明显的规律性；HIP工艺明显减小了样品横截面的显微硬度平均值，且呈现出较强的规律性，表现为中心区域附近较高，而边缘区域较低。

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5 切削加工白层研究

“白层”这一概念是1912年由Stead首次提出的，它是伴随着硬态切削过程所形成的存在于已加工表面或亚表面下的、经金相试剂浸蚀后在光学显微镜下无特征形貌并呈白色或白亮色的硬层，因此被称为白层。此外，有色金属的白层有时呈“暗色”，故也称为“暗层”。白层会影响材料的摩擦磨损性能，因此又被称为白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同名称。在白层的下方常常伴有颜色较暗，硬度较低的过渡层金属区域，因其在光学显微镜下常呈现黑色而成为黑层。对于金属材料，白层具有耐腐蚀和硬度较高的特点。Herbert等人通过钻削镍基高温合金RR1000在已加工表面得到了白层，发现白层中的晶粒与基体材料比更细小、取向更杂乱，白层的硬度也比基体高出45%。

5.1 白层的形成机制

关于白层的研究，很大一部分研究的焦点集中在白层的形成机制上，普遍认为白层的形成机制有三种：第一，快速加热和快速冷却引起的相变；第二，表面对于环境的反应，磨损的表面，含氧和氮；第三，塑形流动引起的均匀结构或晶粒细化的结构。此外，他还认为应变率、压力和冷却速率对白层的形成也有影响。目前关于白层形成机制的研究结果主要分为：相变机制、塑性变形机制和相变-塑性变形综合机制。

相变机制：白层形成和切削加工过程中摩擦磨损所产生的热效应有关。硬态切削过程中工件表面的切削温度超过了奥氏体相变温度。由于刀具与工件的接触作用时间较短，因此白层只能是由剪切应变能作用下，使该层被加热至奥氏体相变温度以上并迅速淬火而形成，奥氏体转变快没有足够时间进行奥氏体重结晶,马氏体在严重形变奥氏体中形成，所得马氏体不同于常规马氏体，经 X 衍射分沂测定，白层中含有相当数量的残余奥氏体。

塑性变形机制：切削加工中的挤压、摩擦使加工表面产生剧烈的塑性变形，进而加工表层发生晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，增加了晶界面积，从而阻止了金属的变形、滑移，降低金属的塑性，这些都会使得表面层金属的硬度和强度提高[21]。

相变-塑性变形综合机制：部分研究者认为白层是在相变和塑性变形共同作用下的结果，硬化来自相变、塑性变形过程产生的晶粒细化，而白层的形成则相当

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于绝热剪切带。在高应变作用下，由于在一定距离内表面下的局部变形速率高，摩擦热产生的速度大于向周围基体散发的速度，结果使临近表面的局部区域温度较高，变形抗力随之下降，材料塑性变形失稳而产生绝热剪切带。

5.2 白层的影响因素研究

白层的形成受切削参数（切削速度、进给量和切削深度）和工件材料特性（晶粒尺寸、含碳量、塑性、相变温度）的影响。 5.2.1 切削参数对白层的影响

切削参数对于白层的形成有着重要影响，切削速度、进给量、切削深度都会影响白层的厚度。对于切削速度而言，随着切削速度增大会使刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减；另外，切削速度的增大，进一步增加了表面摩擦的热效应，进而使相变加剧，形成较厚的白层。刀具后刀面的磨损对加工表面白层的形成具有重要的影响作用，刀具后刀面磨损量越大，产生的切削热越多，更易出现较厚的白层。戴苗[22]在对百层厚度影响因素的研究发现，白层的厚度随着切削速度的提高而增大,在较高的切削速度时,白层的厚度不再增加而保持稳定,切削深度对白层厚度的影响较小，与切削速度相比，较小的进给量白层厚度的影响较小；当后刀面磨损量大于0.075mm时，磨损量对白层的影较大。张凌飞[23]用PCBN刀具切削GCrl5,分析研究白层产生的条件，用SEM测量了白层厚度并观察其显微组织形貌；试验发现，只有用磨损达到一定程度的刀具加工的试件表面会出现白层，且白层的厚度随刀具的磨损程度而增加。 5.2.2 工件材料特性对白层的影响

工件材料的相变温度会影响白层的形成，当相变温度较高时，不容易形成白层；相变温度较低时更容易形成白层。此外，材料的晶粒尺寸、塑性和含碳量等也会影响白层的形成。工件材料的塑性越大，形变作用机制影响就越严重。在相同切削条件下材料的硬度增加，其切削增加,表面的塑性变形增加；塑性变形的增加刀具对工件表面的接触应力增大，可降低其相变温度，同时工件表面的温度高，从而导致白层厚度增加。切削白层厚度随着工件的硬度增加而增加；这主要是由马氏体组织的强化机理引起，马氏体的的强化机理主要包括固溶强化和相变强化

[24]

；固溶强化是指当马氏体中的固溶碳原子和合金元素原子形成饱和固溶体，对硬

度起决定作用是碳原子，间隙碳原子使晶格产生严重的畸变，导致系统的能量急

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剧增高而提高了强度和硬度；马氏体相变的切变特征造成晶体内大量的微观缺陷，极高密度的位错和层错、大量的精细挛晶、大量界面使马氏体强化和硬化，导致马氏体组织的高硬度和高强度。另外，白层微观硬度随着含碳量增加而增加，白层组织中隐晶马氏体具有高密度位错，高密度位错和高碳发生交互作用以及马氏体的超细晶粒引起强化导致白层的高硬度；工件材料含碳量高，切削后生成的二次淬火马氏体组织的机会就更多，而微观结构中马氏体组织越多其硬度值越大；马氏体组织中高含碳量导致碳的固溶强化加强，从而决定了马氏体组织的高硬度，因此，含碳量高的二次淬火马氏体组织硬度高于含碳量低的二次淬火马氏体。

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