機械制造技術(shù)：機械加工后的表面層物理機械性能

機械制造技術(shù)：機械加工后的表面層物理機械性能在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機械性能產(chǎn)生變化，最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于磨削加工時所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時更嚴(yán)重，因而磨削加工后加工表面層上述三項物理機械性能的變化會很大。一、表面層冷作硬化1.冷作硬化及其評定參數(shù)機械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移,晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會使表面層金屬的硬度和強度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或稱為強化）。表面層金屬強化的結(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)也會發(fā)生變化。被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只有一有可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)時間的長短和強化程度的大小。由于金屬在機械加工過程中同時受到力和熱的作用，因此，加工后表層金屬的最后性質(zhì)取決于強化和弱化綜合作用的結(jié)果。評定冷作硬化的指標(biāo)有三項，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。2.影響冷作硬化的主要因素①刀具1）切削刃鈍圓半徑的影響：切削刃鈍圓半徑↑徑向切削分力↑表層金屬的塑性變形程度↑導(dǎo)致冷硬↑2）前角γ0的影響：前角γ0在±20°范圍內(nèi)，對表層金屬的冷硬沒有顯著影響。在此范圍以外，則前角γ0↑塑性變形↓冷硬↓3）其它角度：對冷硬影響較小。②切削用量1）切削速度v的影響：切削速度v越大，刀具與工件的作用時間縮短，金屬的塑性變形就越小，因而可使加工表面層的硬化程度和深度降低。2）進給量f的影響：a、進給量f超過一定值時，加大進給量，切削力將隨之增大，表層金屬的塑性變形加劇，使冷硬程度增加。b、進給量f過小，切削厚度也小，刀刃圓弧對工件表面層將產(chǎn)生擠壓，反而使表面層硬化程度增大。③工件材料——工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。二、表面層材料金相組織變化當(dāng)切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會發(fā)生變化。1.磨削燒傷當(dāng)被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產(chǎn)生以下三種燒傷：①回火燒傷如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為回火燒傷。②淬火燒傷如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。③退火燒傷如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削區(qū)域又無冷卻液進入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。2.改善磨削燒傷的途徑磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱地產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生地?zé)崃可賯魅牍ぜ?。①正確選擇砂輪?②合理選擇切削用量?③改善冷卻條件三、表面層殘余應(yīng)力1.產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因①冷態(tài)塑性變形：切削時在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表面金屬的比容加大由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。②熱態(tài)塑性變形：切削加工中，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)生③金相組織變化：不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容如果表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。2.零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應(yīng)力將直接影響機器零件的使用性能。選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式。在交