影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改善措施

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,第三節影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改善措施,一、加工表面層的冷作硬化,,㈠概述,,1,定義,機械加工過程中，工件表面層金屬受,切削力,的作用產生塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生滑移剪切，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為,加工硬化,，又稱,冷作硬化,或,強化,。,,加工過程中產生的切削熱,,,將使金屬在塑性變形中產生的冷硬現象得到,恢復，這種現象稱為,弱化,.,因此加工硬化是,硬化和弱化,綜合作用的結果。,,2,衡量表面層加工硬化的指標,表面層的顯

2、微硬度,HV、,硬化層深度,h、,硬化程度,N,,一、加工表面層的冷作硬化,㈡影響切削加工表面冷作硬化的因素,主要取決于產生塑性變形的力、變形速度和變形時的溫度。塑性變形越大，則硬化越嚴重；切削溫度升高，弱化作用加強。,,1,切削用量影響,,1,）,f↑→,切削力↑→塑性變形↑→冷硬程度↑,,2,）切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果）,,3,）切削深度影響不大,2,刀具幾何形狀的影響,,1,）切削刃鈍圓半徑,rε,↑,，冷硬程度↑；,,2,）其他幾何參數影響不明顯；,,3,）刀具磨損影響顯著（力和熱互相作用）,,3,工件材料,,碳鋼，塑性愈大的材料，切削后的冷硬現象愈嚴重（材料塑性↑,→,冷

3、硬傾向↑）。有色金屬，熔點低，容易弱化，其冷作硬化現象比鋼材輕得多。,,,一、加工表面層的冷作硬化,㈢影響磨削加工表面冷作硬化的因素,1,工件材料,,1,）材料塑性↑→ 冷硬傾向↑；,,2,）材料導熱性↑→ 弱化傾向↓ → 冷硬傾向↑,,2,磨削用量,,1,）磨削深度↑→冷硬程度↑；,,2,）磨削速度↑→冷硬程度↓；,,3,）工件轉速↑→冷硬程度↑：,,4,）縱向進給量影響復雜。,,3,砂輪,,1,）砂輪粒度↑→冷硬程度↓；,,2,）砂輪硬度、組織影響不顯著。,,一、加工表面層的冷作硬化,1,表面層顯微硬度,HV,測量,：用顯微硬度計,,㈣冷作硬化的測量方法,2,加工硬化層深度,h,測量,：,

4、,1,）金相法,,2,）,X,光法,,3,）測量顯微硬度法,,4,）再結晶法,,5,）脆性涂料法,,6,）激光全息攝影法,,二、表面金屬的金相組織變化,,㈠機械加工表面金相組織的變化,,,機械加工過程中，工件的加工區及其鄰近的區域，溫度會急劇升高，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，會發生金相組織變化。,,磨削加工中，由于磨削比壓大，磨削速度高，磨削熱大部分傳給工件，使工件表面達到很高的溫度。高溫使表層的金相組織產生變化，造成表層金屬硬度下降，工件表面呈現氧化膜顏色，這種現象稱為,磨削燒傷,。,,1,回火燒傷,,磨削時，如果工件表面溫度未超過相變溫度（碳鋼的相變溫度為,720,），但超過了

5、馬氏體的轉變溫度（中碳鋼為,300,），則表層原來的馬氏體組織將產生回火現象而轉變為硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種現象稱為,回火燒傷,。,,第三節 影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改善措施,,2 淬火燒傷,磨削時，如果工件表面層溫度超過相變溫度,，,馬氏體轉變為奧氏體。如果這時有充分的冷卻液，則表層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾個微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現象稱為,淬火燒傷,。,二、表面金屬的金相組織變化,㈠機械加工表面金相組織的變化,,3,退火燒傷,磨削時，如果工件表面層溫度超過

6、相變溫度，馬氏體轉變為奧氏體。若此時無冷卻液，表層金屬在空氣冷卻比較緩慢而形成退火組織，硬度和強度均大幅度下降，這種現象稱為,退火燒傷,。,,,二、表面金屬的金相組織變化,㈡改善磨削燒傷的工藝途徑,,1,正確選擇砂輪,,硬度太高的砂輪，容易產生燒傷，因此采用軟砂輪且有彈性的粘接劑。,,,2,合理選擇磨削用量,,1,）砂輪轉速↑→ 磨削燒傷↑,,2,）磨削背吃刀量,ap,↑→,磨削燒傷↑,,3,）進給量,f,↑→,磨削燒傷↓,,4,）工件速度,↑→,磨削燒傷↓,3,改善冷卻條件,,采用內冷卻法→磨削燒傷↓,,,4,開槽砂輪,,在砂輪上開槽，使砂輪間斷磨削，工件受熱時間短，金相組織來不及轉變，且改

7、善了散熱條件，可防止燒傷和裂紋。,,,,三、表層金屬的殘余應力,,在機械加工過程中，當表層金屬組織發生,形狀,變化、,體積,變化或,金相組織,變化時，將在表面層的金屬與其基體間產生相互平衡的殘余應力。,㈠表層金屬產生殘余應力的原因,,1,冷態塑性變形引起的殘余應力,------,表層產生殘余壓應力,,切削或磨削過程中，工件表面層受到后刀面或砂輪磨粒的擠壓和摩擦及受前刀面的撕裂作用，表面層產生伸長塑性變形，此時基體金屬仍處于彈性變形。切削或磨削過后，基體金屬趨于恢復，但受到已產生塑性變形的表面層金屬的牽制，從而在表面層產生殘余壓應力，里層則產生與其平衡的殘余拉應力。,,,冷態塑性變形主要是力的作

8、用，它使表層產生殘余壓應力。,,第三節 影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改善措施,,1,冷態塑性變形引起的殘余應力,滾壓、噴丸等表層強化工藝時，也是冷態塑性變形。表面幾何形狀上的波峰被壓平并擠到兩邊的波谷中，晶格被拉伸扭曲，晶粒被拉長，表層產生,殘余壓應力,。,㈠表層金屬產生殘余應力的原因,,切削時表面殘余應力分布,磨削時表面殘余應力的分布,,,三、表層金屬的殘余應力,㈠,表層金屬產生殘余應力的原因,,2,熱態塑性變形引起的殘余應力,-----,表層產生殘余拉應力,切削或磨削過程中，工件加工表面在切削或磨削作用下產生熱膨脹，此時基本金屬溫度較低，因此，表面層產生壓應力。,,當切削或磨削結

9、束時，工件表面溫度下降發生收縮，由于表層已產生熱態塑性變形并受到基體的限制，故而產生,殘余拉應力,。,熱態塑性變形主要是熱的作用，它使表層產生殘余拉應力。,磨削時表面殘余應力的分布,,,三、表層金屬的殘余應力,㈠表層金屬產生殘余應力的原因,,3,金相組織變化引起的殘余應力,,切削或磨削過程中，若工件加工表面溫度高于材料的相變溫度，則會引起表面層的金相組織變化。,,不同的金相組織有不同的密度，馬氏體的密度,7.75,，奧氏體的密度,7.96,，在各種金相組織中,馬氏體密度最小（比容最大），奧氏體最大（比容最?。?,當金相組織發生變化時，由于密度不同，體積就要變化，如果體積膨脹，則受到里層的限制

10、，而產生殘余壓應力；反之，如果體積縮小，則產生殘余拉應力。,,機械加工后表面層的殘余應力是力引起的冷態塑性變形、熱引起的熱態塑性變形和金相組織變化這三者的綜合結果，在一定條件下，某種或兩種因素起主導作用，決定了工件表層殘余應力的狀態,.,,三、表層金屬的殘余應力,㈡影響車削表層殘余應力的工藝因素,1,切削用量,,1,）低速,-,殘余拉應力，高速,→,殘余壓應力（,45#,鋼，熱應力起主導作用）,,2,）,f↑→,塑性變形和切削熱↑→殘余壓應力↑,,3,）切削深度影響不顯著,,2,刀具,,1,）前角,+→,－，殘余拉應力↓；用很大負前角時，會產生殘,,余壓應力，采用正前角刀具，產生殘余拉應力。,

11、,2,）刀具磨損↑→殘余壓應力↑。,,3,工件材料,,材料塑性↑→殘余壓應力↑,,,三、表層金屬的殘余應力,㈢影響磨削殘余應力的因素,1,磨削用量,,1,）砂輪速度↑→殘余拉應力↑；,,2,）工件速度和進給量↑：砂輪和工件熱作用時間縮短，塑性變形起主導作用，表面產生殘余壓應力；,,3,）磨削深度,ap,↓→,殘余拉應力↓，減小到一定程度，得到低殘余應力。,,㈡影響磨削殘余應力的工藝因素,2,工件材料,,工件材料強度越高，導熱性越差，塑性越低，磨削時易產生殘余拉應力。,,㈣工件最終工序加工方法的選擇,,工件表面的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能，一般工件表面殘余應力的數值和性質主要取決于工件

12、最終加工工序的加工方法。,,選擇工件最終工序的加工方法，要考慮該零件的具體工作條件及零件可能產生的破壞形式。,,零件在,交變載荷,的作用，最終工序選擇能產生,壓應力,的加工方法。,,兩,相對滑動,的零件，從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇產生,拉應力,的加工方法。,,兩,相對滾動,的零件，從提高零件抵抗滾動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在表面層下深處產生,壓應力,的加工方法。,,四、表面強化工藝,,,表面強化,工藝中幾種最重要的加工方法有化學熱處理（滲碳、滲氮和滲鉻）、電鍍和表面機械強化。,,,表面機械強化,是通過冷壓加工方法使表面層金屬產生冷態塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產生,殘余壓應力,的表面強化工藝。,1.噴丸,2.滾壓加工,3.擠孔（脹孔）,第三節 影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改善措施,,