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1、切削加工表面完整性研究现状 内容摘要机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征：表面缺陷、表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金相组织变化：加工变质层、白层、夹杂物等。本文围绕切削加工后零件表面完整性三类特征指标，系统论述了各自的研究发展历程，重点对表面粗糙度、残余应力、显微硬度、白层及变质层进行了归纳，概括了各自的研究方案、技术手段及研究成果。关键词：切削加工；表面完整性；研究现状目 录内容摘要I前 言11 切削加工表面完整性研究的发展21.1 表面完整性的提出及发展21.2 表面完整性研究意义22 表面粗糙度研究43 残余应力研究63
2、.1 残余应力的生成机理研究63.2 残余应力影响因素的实验研究74 加工硬化研究84.1加工硬化的影响因素研究84.2 材料特性对工件加工硬化的影响94.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究95 切削加工白层研究105.1 白层的形成机制105.2 白层的影响因素研究115.2.1 切削参数对白层的影响115.2.2 工件材料特性对白层的影响116 变质层研究136.1 变质层的组织特点136.2 切削参数对变质层的影响14参考文献15前 言机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征:表面缺陷，表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金
3、相组织变化：加工变质层，白层、夹杂物等。零件的表面完整性影响着零件的后续加工以及最终使用性能，尤其在航空航天领域对关键零件的耐磨性能和耐疲劳性能要求很高。表面完整性中的残余应力如果是残余压应力可以减小零件表面裂纹的扩展，提高耐疲劳性能，而拉伸残余应力则会加速表面裂纹的扩展，加速了零件的疲劳破坏，且在有应力集中或者有腐蚀性介质存在的工况下，残余拉应力对零件疲劳强度的影响更为突出1；加工硬化会降低零件表面的塑形和韧性，对零件的疲劳强度和疲劳寿命不利，但是均匀的加工硬化有利于提高零件的硬度和耐磨性；白层有耐蚀和硬度高的特点，但是其内部常常含有裂纹，脆性大且与基体结合不牢固，容易发生早期剥落脱离2；变
4、质层的产生会引起加工表面产生残余应力和微观组织结构的改变，由于其组织均匀性较差且伴有裂纹，容易降低零件的耐磨性和耐疲劳性能。残余应力、加工硬化、白层和加工变质层，这些表面完整性指标是加工过程中切削力、切削热以及相变综合作用的结果。表面完整性的好坏直接决定着零件的工作性能和使用寿命。1 切削加工表面完整性研究的发展1.1 表面完整性的提出及发展表面完整性是在美国金属切削研究协会在1964年召开的一次技术座谈会上由Field和Kahles首次提出的。所谓表面完整性是指表面粗糙度、表层残余应力、表层显微组织、表层致密度和表面类裂纹等状态的完好程度，是表征、评价和控制加工制造过程中被加工零件表面层内可
5、能产生的各种变化及其对最终成品使用性能影响的一个综合性指标3。金属材料的耐疲劳强度、耐应力腐蚀和耐高温氧化等力学、物理和化学性能，绝大程度上取决于材料的表面完整性。表面完整性具体包含两方面的内容：一是表面几何特征，又称表面纹理指标，主要用于表征被加工零件表面的各类几何特征，包括表面粗糙度、波度、纹理方向、表面瑕疵等都属于表面几何特征的范畴4。其中，表面粗糙度是最为主要的表面几何特征，常用来表示表面纹理。二是表面物理力学特性，主要以表面层物理力学性能指标来衡量。机械工件表面在加工过程中由于受其自身物理与化学性质的影响，其力学特性、物理特性、化学性质均会出现一定的变化，而表面层物理力学性能指标就是
6、用来评价工件表面的此类特性的。一般情况下，工件的表面物理力学特性主要包括以下几个方面的内容：（1）表面层硬度：主要指工件的切削加工后表层冷作硬化所引起的弹塑性变形；（2）表面层组织：主要指工件切削加工表面的金相组织变化，如再结晶、相变等；（3）表面层残余应力：主要用来衡量工件表面残余应力的大小、分布状态、表面宏观与微观裂纹等。相对于工件表面质量而言，表面完整性更注重工件微观表面质量的研究，主要内容包括表面形貌、表层冶金层质量、表面化学组分与性质等。对表面完整性的评价可以采用最少数据组、标准数据组和扩展数据组等三个级别标准5，具体的评价指标包括表面粗糙度、表层显微形貌、表层加工硬化、残余应力以及
7、金相组织变化等。1.2 表面完整性研究意义表面完整性是衡量切削加工工件整体性能的重要指标，通过研究表面完整性能够对工件表面几何特性以及表面物理力学特性有更进一步的了解，并可以通过切削参数、材料选择、加工工艺等方面的改进提高工件的耐疲劳强度、耐应力腐蚀和耐高温氧化等力学、物理和化学性能。下面将分别从表面形貌特征、表面机械性能中的残余应力与显微硬度、金相组织变化的白层等三个方面论述表面完整性的研究意义。表面形貌特征主要包括表面缺陷、表面粗糙度等，通过降低表面粗糙度，能够增加零件之间接触面积，进而减少表面接触压强，降低零件表面磨损；但在实际加工过程中，表面粗糙度过小，接触面见润滑油不易存储，会导致接
8、触面之间产生分子黏粘，增加磨损6；通过表面完整性的研究能够改善工件的表面形貌特征，降低工件表面磨损，延长工件的使用寿命，提高工业生产的安全系数。工件的表面机械性能主要包括残余应力、显微硬度等指标，在切削加工过程中，加工表面冷作硬化后，工件表面层显微硬度增加，能够提高工件表面的耐磨性；而残余应力也会直接影响到工件的表面质量，表面层残余拉应力作用使得表面微裂纹不断扩大，会加速耐疲劳强度，降低工件的抗腐蚀性，但表面残余压应力则能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生，可提高耐疲劳强度。金相组织变化的白层是指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
9、形貌并呈白色或白亮色的硬层，白层能够抵抗一般的腐蚀，通常具有比原始材料更高的硬度，因此，通过研究表面完整性中的白层对于材料摩擦、磨损性能的提高有着重要意义。2 表面粗糙度研究表面粗糙度（Surface roughness）是在研究表面完整性时最常用的指标。表面粗糙度衡量的是工件表面的纹理和质地。表面粗糙度的大小是指实际表面和理想表面在垂直方向的偏差，若偏差大，则工件表面越粗糙，工件间的摩擦系数越大，会影响到工件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性；若偏差小，则工件表面越光滑，工件有优异的使用性能7。表面粗糙度作为工件表面完整性的重要评价指标之一，其形成原因可归纳为三个方面：一是刀刃和工件相对运动轨迹所
10、形成的残留面积等几何因素；二是加工过程中在工件表面产生的塑性变形、积屑瘤、鳞刺和振动等物理因素；三是与加工工艺相关的工艺因素。表面粗糙度对零件的装配、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳寿命等有重要影响，具体而言主要包括以下几个方面：一是影响耐磨性，表面粗糙度高的工件间有效接触面积较小，压强增大，摩擦阻力也随之增大，从而加快工件磨损8；二是影响疲劳强度，表面粗糙度较大的工件对应力集中更为敏感，工件表面的裂纹越多，抗疲劳强度就越低；三是影响耐腐蚀性，表面粗糙的工件更容易渗入腐蚀性气体或液体，耐腐蚀性较差；四是影响密封性，对于密封性要求较高的零部件需要有较低的表面粗糙度，以保证零件表面之间的严密贴合，避免气体或
11、液体的渗漏；五是影响接触刚度，工件表面的波谷与缝隙越多，其接触面积就越小，在外力作用下，结合面解除变形的能力就越差，从而影响到机器的刚度；六是影响测量精度，零件表面及测量工具表面的粗糙度都会直接影响到测量精度；七是影响配合稳定性，对于需要间隙配合的工件，表面粗糙度越高，磨损状况就越差，从而使接触间歇不断增大，而对于过盈配合而言，表面粗糙度则会直接影响到工件间的连接强度。目前对切削加工表面粗糙度的研究，主要有三种方法，一是理论建模法，二是设计实验法，三是人工智能法。（1）表面粗糙度的理论建模法主要是对工件的加工方式以及加工过程中表面粗糙度的生成机理进行分析，并研究刀具形状、加工参数和振动等因素对
12、表面粗糙度的影响，从而对表面粗糙度进行预测。早期表面粗糙度的理论模型主要以加工方式作为变量，而将刀具及工件视为刚性集合体，通过分析在不同加工方式下，刀具几何形状和进给量对表面残留面积的影响，来预测工件表面粗糙度。近年来随着对切削加工表面粗糙度形成机理研究的进一步深入，道具跳动、进给方式、主轴回转偏心、轴向窜动、加工振动都被引入预测模型中，预测的结果也更加精确。（2）粗糙度预测的第二种方法是设计实验法，即通过实验设计、实验数据处理与分析来对切削加工的表面粗糙度进行预测，Taguchi分析法以及回归分析法是应用最为方法的实验方法；其中，Taguchi分析法基于矩阵理论的一种实验设计和分析方法，利用
13、正交表安排实验方案，并以误差因素模拟造成预测结果波动的各种干扰，通过对各种实验数据的统计分析，确定对表面质量影响的主要因素与次要因素9；回归分析法是进行实验设计分析常用的一种数学方法，其主要思想是建立一个多项式模型，然后通过实验数据求解公式，获得预测模型的回归系数，建立表面粗糙度预测模型。（3）人工智能法是近年来出现的表面粗糙度预测方法，主要借助人工神经网络、模糊算法、遗传算法、支持向量机等算法来实现表面粗糙度预测；其中，人工神经网络能够通过对样本的学习训练，不断改变网络的连接权值以及拓扑结构，使网络的输出不断接近期望的输出，以建立精确的表面粗糙度预测模型，实现对表面粗糙度的预测10；模糊神经
14、网络是通过模糊理论和人工神经网络理论的有机结合来实现的，具体的预测方式可以通过采集切向振动信号，并以主轴转速进给量和切向振动为影响因素，基于模糊网络对车削加工表面粗糙度进行预测。3 残余应力研究残余应力是指物体在没有外力施加或外力施加了卸载后，其内部存在的保持自相平衡的应力系统。金属切削加工过程伴随着材料内部的高温、高应变和高应变率，在已加工表面产生较大的残余应力；同时，经热处理后的被加工材料具有初始残余应力，加之铣削过程中的切削力、切削热和相变，加工表面与刀具间的摩擦和挤压都会引起零件内部残余应力的重新分布。3.1 残余应力的生成机理研究已加工表面和里层金属产生的最终残余应力是拉应力还是压应
15、力以及大小是这几种机制竞争的结果，主导作用决定着最终的残余应力状态。残余应力的产生定性地分析有三种形成机理。（1）机械应力引起的塑性变形：这也是这是工件在加工过程中最常出现的残余应力，多由于机械加工中的不均匀塑性变形而产生的。工件表面在施加外载时，若工件的一部分区域发生不均匀塑性变形，则在卸载后，该部分就会产生残余应力11；同时，由于残余应力必须在整个工件内达到自相平衡，致使工件中不发生塑性变形的那些相关区域也产生了残余应力。二、热应力引起的塑性变形：工件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于工件在热加工中的不均匀塑性变形而产生的。当工件在加热、冷却过程中由于高温下材料的屈服强度
16、较低，在热的作用下，易于产生塑性变形、并且由于工件的几何形状复杂等等因素，在加热、冷却过程中工件各部分的热传导状态不同，工件的温度场不均匀，致使工件内各部分的弹性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而工件内部所产生的塑性变形也是不均匀的。而这种塑性变形的不均匀性会破坏原有的内部力学结构，从而导致残余应力的出现。三、相变引起的体积变化：工件在切削过程中经过热处理会出现因热应力引起的塑性变形，而在冷却时，工件各部分的瞬时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而各部分的瞬时相变程度不均匀，即有的部位相变已经完全结束，而有的部位相变尚未开始，从而引起工件各部分的体积变化不均匀，导致残余应力的出现。另外，金属材
17、料在进行材化学热处理、电镀、喷涂等等加工时，同样会因相变而引起体积变化12；如钢材进行氮化时，在钢件表面由于形成氮化铁的相变而引起密度变化，从而在钢件表面形成明显的压缩残余应力。3.2 残余应力影响因素的实验研究残余应力对工件的静态力学性能、抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能、尺寸稳定性以及使用寿命均有着显着的影响。残余应力分拉伸残余应力和压缩残余应力，其中压缩残余应力有助于提高加工表面的机械力学性能，如表面有微裂纹时，表层压缩残余应力能够促进裂纹的闭合，提高零件的耐疲劳性能，并且压缩残余压应力越大越有利；而表层拉伸残余应力则抑制裂纹的闭合，不利于零件的耐疲劳和耐腐蚀性能。因此通过控制切削条件以得到有
18、利的残余应力分布就变得十分有意义。针对残余应力分布影响因素的研究主要有：唐志涛13在2008年对航空铝合金残余应力进行了研究，分析了航空铝合金预拉伸板7050一T7451内部残余应力的产生机理，并基于裂纹柔度法测量铝合金厚板内部残余应力的分布规律；采用有限元法计算得到测试试样的裂纹柔度函数,在分析应力计算不确定度来源的基础上，研究裂纹柔度法中插值函数及其阶数的选择对应力计算结果不确定度的影响；计算得到45mm厚铝合金预拉伸板7050一7451内部残余应力分布规律；基于Doene一Hauk法测量铣削加工航空铝合金工件表面残余应力的状态，研究了铣削加工引入的残余应力引起的加工变形规律。郭培燕14则
19、对高速切削加工表面残余应力进行了研究，通过机械制造、热一弹塑性力学和有限元法等多学科的深入交叉，采用理论建模、软件分析和实验研究的方法,从金属切削原理入手，对高速切削加工表面的残余应力进行了深入的理论研究和数值模拟，并提出了残余应力的预测模型；通过有限元软件对切削过程的仿真模拟,研究了已加工表面残余应力的分布规律，以及切削用量、刀具参数对残余应力的影响规律；进行高速铣削实验和残余应力测试实验，研究残余应力的分布规律,并验证了有限元模型的可用性；运用正交回归分析方法,预测了残余应力与影响因素关系的数学模型。覃孟扬15在2012年研究了基于预应力切削的加工表面残余应力控制研究，通过热力耦合理论分析
20、、切削实验和有限元模拟与试验研究相结合的方法，对加工表面残余应力的分布以及控制残余应力的相关工艺进行了研究，在此基础上进一步提出和讨论了残余应力公差概念，作为技术参数来指导工件的加工和检测，并讨论了该概念的可行性。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
21、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
22、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200m减到50m。刀刃钝圆半径r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
23、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。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
24、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
25、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-Al2O3、- Al2O3相组成，从表层到里层，-Al2O3相含量逐渐增加；膜的显微硬度沿深度方向变化同-Al2O3含量变化一致，致密层中显微硬度大于HV1500，极值点达到HV230019。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
26、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。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
27、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
28、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,
29、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
30、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
31、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
32、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
33、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。6 变质层研究对材料进行加工或表面处理时，加工表面受到作用力或热效应的影响，使得加工表面下某深度层的材料在热力耦合的作用下发生变化，该层通常被成为加工变质层。6.1 变质层的组织特点安徽理工大学的马伏波等人将加工表面变质层分为三类，分别是由外部元素的作用引起的变质层、由组织的变化所引起的变质
34、层和应力作为主要考虑因素的变质层。由外部元素的作用引起的变质层的形成原因包括污染、吸附物、化合物质、异物嵌入等。在由外部的元素和物质引起的变质中，由于切削表面的显微裂纹、宏观裂纹、积屑瘤碎片等的影响，以及外界环境的污染腐蚀和电、磁方面引起的特殊变化层等，损伤了已加工表面层。特别是在磨削加工中，磨粒的影响最为严重，这些磨粒使得加工表面温度升高，产生烧伤现象，而使得零件表面层性能发生变化。由组织的变化所引起的变质层的形成原因包括非晶体的基体、微细结晶层、位错密度的上升、双晶的生成、合金中的一种成分覆盖于表面层上、纤维组织、研磨相变、由加工引起的结晶的应变、由摩擦热引起的再结晶等。由晶粒组织的变化所
35、引起的变质的组织特点较为复杂，表面金属组织的变化包括：晶格的扭曲、拉长，晶粒的破碎、纤维化和相变等。金属在塑性变形中，晶格发生变化，失去平衡位置，离零件表面距离越近，晶格发生扭曲变形越严重。所以，零件表面层的硬化程度最严重，硬度最大25。在切削加工时，加工温度对硬化程度也有很大影响，如磨削淬火钢引起退火，使表面硬度降低产生软化；但在充分冷却时，则会再次淬火，出现硬化。应力作为主要考虑因素的变质层主要受残留应力层的影响，加工表面层的应力状态发生紊乱的情况较为复杂，由于热及应力效应而在表面层的结晶中发生相变，使加工前后的体积发生变化；在表面层中生成超过屈服应力的强大的热应力； 由于刀具的作用力，在
36、表面层的材料中残留有塑性应变等。此类残余应力都会产生残留应力层而导致加工变质层的出现。6.2 切削参数对变质层的影响加工参数直接影响到切削力和切削热，对加工变质层有很大影响。王大镇26在2008年研究了超精密加工铝基复合材料的切削变质层，采用聚晶金刚石PCD刀具对航天碳化硅增强铝基复合材料进行超精密车削加工，用扫描电子显微镜(SEM)对已加工切削变质层的微观结构进行检测,采用显微硬度计检测显微硬度，并从理论上分析切削变质层形成过程中碳化硅增强相断裂而细化的理论根据。超精密车削工况下，采用聚晶金刚石PCD刀具车削碳化硅增强铝基复合材料SiCw/LD2，尽管切削力很小，切削热很低，但仍会产生很薄的
37、切削变质层。其微观结构分为3层，即缺陷聚集层，细化硬化层和硬度衰减层。切削变质层中硬度值最高处在细化硬化层，约距已加工表面10-20Lm。在切削变质层形成过程中，碳化硅增强相发生了向切削速度方向的转动，且转动时伴随着断裂和细化，从而强化了切削变质层。岳彩旭27在2014年研究精密硬态切削过程中已加工表面变质层的生成，精密硬态切削过程中刀具与工件发生剧烈的热力耦合作用，使得一定条件下已加工表面出现变质层。为揭示变质层的生成机制，研究了PCBN刀具硬态切削淬硬模具钢 Cr12MoV的工艺过程。通过实验手段揭示了表面变质层生成机理，得到了不同刀具磨损情况下变质层中白层厚度的变化规律，并发现变质层厚度
38、随切削速度和工件硬度的增大而增大。参考文献1Ulutan D, Ozel T. Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys: A review. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2011.51(3): p.250-280.2陈日耀.金属切削原理M.北京：机械工业出版社，2001，01.3陈涛.淬硬钢GCr15精密切削过程的建模与加工表面完整性预测D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，20094戴素江，邢彤，文东辉，等.精密硬态切削表面组织形
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