切削加工對表面層物理

零件的質量不僅用粗糙度和波度的幾何參數來說明，而且還要用表面層的物理一機械性能來表示。機器零件薄表面層內的機械性能、物理性能和化學性能與金屬的深處是不同的。

這種薄表面層的厚度是由加工方法決定的，可由幾個10m到百分之幾至十分之幾mm。表面層對零件的工作性能有很大的影響。零件的表面質量主要是在最終加工時保證的。前面的加工和毛胚制造過程對于成品的表面質量也有一定的影響，這是因為工件在不同加工階段的初始性能有工藝遺傳性。達到所需的零件表面質量特別是物理一機械性能，并使之在生產條件下保持在規定的水平上，這便是整個工藝過程的任務。

表面層的物理一機械性能表現在它的硬度、組織變化和相變、殘余應力的大小、方向和分布情況以及材料晶格的畸變等方面。本文主要簡介硬度，殘余應力的大小、方向和分布情況的物理一機械性能。零件表面層的物理一機械狀態主要由在加工區內發生的彈性和塑性變形以及局部發熱所形成。

一、表面層的硬度

在切削過程中，上表面層因承受很大的塑性變形而發生硬化，使表面層硬度增高，并在表面層內產生內應力。在這樣的表面層內可能出現撕裂和表面裂紋。在零件用其他加工方法進行機械加工時也同樣會出現類似的情況。

金屬的顯微硬度隨著距表面深度的增加而逐漸下降，變形層顯微硬度變化的特點有兩種情況，一種是表面顯微硬度比原有組織硬度高30～50％，同時隨著距表面深度的增加，硬度比較緩慢地下降。顯微硬度下降的曲線帶有接近不變的傾角；另一種是表面顯微硬度比原有組織高2～3倍，在離開表面的起始段硬度急劇下降，然后從某一深度起，硬度的下降極為緩慢并平穩地過渡到金屬的原有硬度。

硬化層深度及其強化程度首先與切削條件有關。在切下切屑時，有兩種對立的過程，即硬化過程和同時發生的消硬化(軟化)過程在相互作用，硬化是由于切削力作用而形成并與切削壓力成正比；而同時發生的消硬化則是在切削區內由于溫升促使再結晶等過程的進行所造成的結果。強度好的和脆性金屬的硬化程度要比強度較差的和韌性金屬的硬化程度低些，通常在切削強度好金屬時，溫度一般要高得多。

對硬化的深度和程度有較大影響的因素是切削速度、進給量和刀具的鈍化程度，其次是刀具的幾何形狀和切削深度。

中等硬度鋼表面層的硬化深度，在用有韌刀具以工廠采用的切削用量進行機械加工時(車削、鉆孔、擴孔、洗削、滾齒等)根據加工條件的不同可在0.1～0.25mm范圍內。在重切削條件下，硬化深度可達到1 mm甚至更高。

硬化層的顯微硬度可達到H=2450-5884MPa(對45號和50號等鋼材而言)。對于多數機械加工方法來說，表面層硬度比中心硬度要高50～100％。在有波度時，波峰上和波谷上的硬化層深度是不同的。當采用基本的方法切削金屬時，如果表面有波度，在多數情況下，波頂上的硬度比在沒有波度時用同樣加工方法加工同樣金屬的硬度要低些。

二、表面層的殘余應力

金屬切削加工時，殘余應力往往集中在表面層內，這種應力可能是壓應力，也可能是拉應力。在許多情況下，距表面不同的深度上存在不同性質的殘余應力。在切削過程中，被加工表面下部和刀具前面的金屬層在開始時受到刀具前刀面的壓縮，而當刀具的后刀面與被加工表面磨擦時則受到拉伸。上層晶粒的一部分隨切屑被帶走，而余下的晶粒則沿切削方向被拉長，此時便產生拉應力。當停止切削和消除外界載荷后，塑性變形的表面層在彈性力的作用下力圖恢復原來位置，而在它下面的一層金屬對此起阻止作用，于是就發生了應力重新分布現象，此時拉應力明顯下降。有時當下表面層內有殘余拉應力時，在最上層內甚至可能出現壓應力。

應力狀態在很大程度上決定于表面層內的溫度。已經查明，厚度為10～20um的上表面層內溫度場的分布情況與在100～150um深層的溫度場有明顯的區別。切削時上表面層發熱的金屬力圖擴展，而發熱溫度較低的下層和基體金屬則對此起阻礙作用，因而在發熱層內產生了壓應力。根據冷卻程度的不同，上表面層的體積會收縮，但冷卻較慢的下層卻對此起抑制作用。在冷卻以后外表面層便停止收縮并對上層產生一定的影響。此時應力便重新分布：在上表面層形成拉應力，而在下層則形成壓應力。

在加工高碳金屬工件時，隨著塑性變形和熱現象的產生，在上表面層內發生相變并同時出現不同組織和體積變化的金屬層，以及同時產生殘余應力。因為不同的組織具有不同的比容，所以在上表面層內應力分布的特性可能是變化的。例如馬氏體具有比屈氏體和奧氏體更大的比容，因此，當馬氏體分解并形成屈氏體時會產生殘余拉應力；而奧氏體分解和馬氏體的產生則會出現壓應力。

因此，切削時產生殘余應力的主要原因有以下幾方面：一個原因是表面層塑性變形不均勻，而關系到變形金屬的單位體積增大和其中殘余壓應力的發展；另一個原因是薄表面層局部發熱，在表面層內產生殘余拉應力，還有一個原因是不同金屬層的相變，使形成具有不同比容的不同組織。結果，在這些表面層內形成了不同性質和不同大小的殘余應力。

殘余應力值在980～1275MPa范圍內，而其分配區域則是在厚度達0.5～0.7mm的金屬層內。

三、表面層的物理一機械性能的測定方法

表面層的深度和一般特性可用顯微磨片測試法確定。表面層的顯微硬度是在MT-3型顯微硬度計上用金剛石棱堆進行壓測的。用斜切口形顯微磨片測定表面的深度和距表面不同深度上顯微硬度的變化是最方便的。檢測顯微硬度時所加的載荷為0.05～5N。

為了檢查細加工后表面層的變化情況，可采用x射線組織分析。此時金屬表面層內的殘余應力可用試件表面酸蝕法檢查，酸蝕厚度為5～10um，每次酸蝕后應攝取射線照片。

厚度在5um以下金屬層的變化情況用x射線分析是難以測定的。在這種情況下，表面層可用基于電子擴散原理的組織電子衍射照相法進行檢查，這種方法可對各種材料的最薄表面層的結構進行檢查。

表面層內的顯微裂紋可用各種探傷法(如磁懸液法、磁感應法、超聲法、熒光法等)進行檢查。

在研究表面層內的殘余應力時，可在消除試件上的應力層后根據試件的變形量進行計算來確定。對于薄表面層內的殘余應力可采用×射線法檢查，這種方法的原理就是對受應力和非受應力金屬內原子間的距離進行測量。