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切削加工表面微观组织的研究
作者:郭大光 来源:产品安全与召回 时间:2018/9/7 13:56:14

随着科学技术的进步,一些先进加工技术如:高速切削、磨削、电火花加工等迅速发展。这些加工方法在加工过程中会在已加工表面产生瞬间的高温、高热,会导致已加工工件内部微观组织的变化,甚至会在工件的最表层形成一层变质层。大量研究表明,这层变质层会影响已加工表面的完整性及工件的工程使用性能。因此,对表面变质层的形成规律、表面变质层的微观组织形态及类别等研究对表面变质层厚度定量预测,对改善工件表面质量,提高切削加工工件表面完整性有重大意义。


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一、切削加工表面变质层简介

表面变质层是一种形成条件极为宽泛,微观组织结构表现形式各异,根据加工方法不同,变质层的微观组织及力学性能存在差异。

 

1.变质层的特性

对金属而言,变质层的一般特征为:

1)结晶组织的变化:越接近表面的晶粒变形越厉害,呈微细化状态。表面经过非晶层、微晶层、碎晶层才形成基体材料,而在加工表面的最外层部分,材料原来的结晶性能已经丧失,这一非结晶化层称为贝尔比[1]。而械加工的次表面层部分,晶粒分布呈现各向异性,形成纤维化的织构形态。改变加工材料的晶体结构和切削加工参数的改变可以改善这种组织结构。

2)残余应力:切削热及切削力的影响,会导致材料会发生相变、热胀冷缩等变化,与此同时会带来一些如热应力、相变应力、机械应力的残余应力。

3)硬度变化:切削过程中,由于刀具与材料间的相互作用,使得材料内部晶格结构发生畸变,同时摩擦导致热量的上升,这些变化会引起材料内部位错增长及动态再结晶,而内部组织变质和结构的变化也引起硬度的变化。

 

2.变质层对零件已加工表面的影响

通常情况下,表面变质层对加工结果产生的影响是不利的,表面变质层的结构和性质却因材料的不同而存在差异:

1)加工表面粗糙度:变质层使加工表面的粗糙度降低了。

2)加工表面硬度及耐磨性:因刀具与材料间的挤压作用,使得表面发生硬化,变质层硬度一般比较高,但由于其之间的摩擦作用,切削热影响区的重熔区耐磨性反而降低。

3)耐疲劳性能:由于残余应力的影响,已加工表面可能会存在显微裂纹,这降低了材料的耐疲劳性能。

 

3.变质层的测量方法

切削加工中,变质层的组织结构变化及其对表面机械性能等影响是研究的重点。而表面变质的程度通常以表面变质层深度的值所定义,有效预计及测量变质层厚度是研究人员关心的问题,一般有以下的测量方法:

1)腐蚀法:对已加工表面进行腐蚀,通过测量腐蚀速度来换算腐蚀深度;

2)显微镜法:通过金相等方法观察材料表面的组织结构形态,取样时需垂直表面以定性表面变质层开始变质的位置,从而确定变质层深度;

3X射线法:对表面层的X射线进行摄影,从深度方向的衍射像的变化求结晶紊乱的深度。

4)硬度法:垂直已加工表面取样分析其硬度变化,以确定变质层深度。

采用不同测试方法能够让变质层厚度值有很大的差异,腐蚀法和显微镜法所获得的变质层的厚度最小,硬度法和再结晶法所获得的变质层的厚度最大。在加工变质层深度的测量方法中,通用采用显微镜法和硬度法。

 

4.采用高速磨削和切削变质层的微观组织高速磨削和切削的质层由白层和黑层组成,如图1所示,白层由一层超细晶粒层组成,其尺寸远小于基体晶粒尺寸,但表面硬度远高于基体硬度约为8001200HV,宽度约为1015μm。暗层的硬度低于基体材料的硬度,低于500HV,厚度约为100μm以上。研究表明变质层是由非常规马氏体的细小等轴晶粒组成,且含有少量渗碳体,白层在微观组织中,变质层奥氏体的含量高于基体奥氏体含量。

 

微观观察发现白层中含有大量高密度位错、孪晶和滑移线等大量塑变组[2]。如图2所示。

 

5.采用电火花加工变质层的微观组织电火花加工过程会产生的变质层包括熔化凝固层(再铸层)和热影响层,其结构,如图3所示。熔化层(再铸层)也即白层,硬度高于基体。

 

该变质层分为熔化凝固层(再铸层)和热影响层。熔化层(再铸层)也即白层,硬度高于基体。热影响层介于白层和基体之间,受高温影响,金相组织发生改变。

 

二、切削加工表面白层

在机械加工过程中,高硬难加工材料,其加工表面有时会产生硬度很高的微细金相组织变质层,在铁基材料中该变质层通常呈白色(其颜色依材料基体不同而不同),故被称为白层”(Whitelayer)[3]。白层是一种磨损表面组织,对于不同的金属材料,在不同磨损状态下都可能形成。不同的加工方法,产生白层状态不同。

 

1.白层的定义

白层的定义最早始于1912年,在于磨削、电火花加工等方式中,两个接触表面间的相互作用也可能导致白层的出现,如滚动和微动加工。白层因其在光学显微镜下呈现白亮色而得名,白层的存在可提高材料的抗腐蚀性,对材料的耐磨性能也有影响。白层又叫摩擦学白层、摩擦学转变结构、白色侵蚀层、再结晶层等。

 

2.白层的特性

对金属而言,白层的一般特征为:

在常规的浸蚀剂下不易被浸蚀

高硬度,通常为HV800-1200,高于基体。

一定厚度的薄层,不同接触方式,不同摩擦方式白层厚度不一,原始材料不同白层组态也不同。

晶粒尺寸通常在几十至数百纳米

白层中普遍存在与表面呈不同角度的微观裂纹

塑性变形大,会有再结晶、孪晶等大塑性变形后特征组织结构的存在

白层的化学成分和晶体结构并不发生变化。

 

3.白层形成条件

白层是一种形成条件极宽、表现性能各异的磨损表面组织。它可以对不同材料、在不同的部件中、或不同加工方式中出现。一些研究人员认为白层的形成条件为大塑性变形、快速升温快速冷却的条件。周仲荣[4]等人则认为接触应力、相对滑移速度和相对距离、材料性质对白层的形成影响很大。

1)法向载荷(接触应力)。法向载荷时白层形成的必要条件,表面接触应力大小影响表面的塑性变形机制及表面切削热的大小。Beard[5]指出载荷的增加白层也随之增加;Molinar等认为白层厚度只受表面接触应力的影响。Zhou等研究了微动白层的形核与长大,并建立了表面接触应力与白层形核的函数关系,即:

T1(x)=pτδ3

T2x=τδ4

式中:p为接触压力,τ为表面切应力,δ为白层形成的临界值,即δ=0时,白层会在接触边缘出现,即便在很小的滑移值下白层也会形成。白层能够形成于剪应力最大的区域,说明其形核依赖于τ;接触压力为层形核的必要条件,但由于p可用τ和摩擦系数来表示,所以白层的形核条件可用T2(x)替代T1(x).在部分滑移区和接触区的外边缘T2(x)=0;在滑移区,T2(x)的最大值位于接触中心。

2)相对滑移速度和相对距离。大量研究结果表明,相对滑移速度和相对滑移距离是白层形成的控制参数[6]。研究指出,在很低的滑移速度下滑动0.3m后,会形成改变层;也有研究提出滑动速度对白层的形核影响不大。

3)材料性质。材料基体组织不同,白层状态也不同。研究表明,随含碳量的改变会影响白层的厚度,材料原始组织中含有奥氏体等也会改变白层的形成机制。

 

4.白层对零件已加工表面的影响有利影响:主要是材料的硬度及耐磨性的提高。

不利影响:

硬度提高的同时白层的延展性也会相应降低,则材料会变得比较脆,易导致裂纹的扩展,降低了材料使用性能。

白层伴随着裂纹的形成,会使材料的疲劳性能下降。切削加工中由于塑性变形较大,工件表面会产生裂纹,使工件耐疲劳性能下降,材料易发生失效。

 

三、变质层和白层图像分析原理

1.变质层图像分析原理

使用硬质合金刀具铣削镍基高温合金时,会发现加工表面不同深度处亚表面的相分布出现差异,基体区域相分布较均匀,越靠近加工表面的变质层中相越被拉伸,形如长条状分布,且相的含量略高于基体区域。通常,基体区域相大小和含量基本很稳定,但靠近加工表面的变质层区域的相形状和含量与基体区域会表现出差异。借助于MATLAB软件对图像的衬度差值统计并处理,可比较白层与基体间相含量的不一,来定性两层分界点。

 

2.白层和暗层的图像分析原理

由于白层、暗层和基体之间的衬度差值不一致,通过光学显微镜的观察及MATLAB的统计,可以对图像的衬度差值分析,获得不同深度衬度值差别,根据衬度差值判断出白层边界的位置与暗层边界位置。

 

四、总结

本篇文章通过论述切削加工中表面微观组织的研究,及变质层的概念,形成机制,变质层对已经加工表面的有利和不利影响,以及变质层的微观组织形貌和测量方法;另外,根据国内外研究现状着重论述了加工变质层中的白层,总结了其概念、特性以及形成特性,分析了其对加工表面的有利和不利影响。

 

参考文献

1〕吕绍瑜.镍基高温合金高速铣削加工表面完整性研究[D].山东大学2013.

2Y.KevinChouChrisJ.Evans.Whitelayersandthermalmodelingofhardturnedsurfaces[J].

InternationalJournalofMachineToolsandManufacture19993912:.

3〕夏启龙.淬硬轴承钢磨削温度对磨削白层形成机理影响的研究[D].湖南大学2009.

4〕周仲荣罗唯力刘家浚.微动摩擦学的发展现状与趋势[J].摩擦学学报199703:81-89.

5Zi-runYANGMin-xianWEIYu-taoZHAOShu-qiWANG.

DryslidingwearbehaviorandmechanismofAM60Balloyat25–200°C[J].

TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina20112112:.

6〕杜劲刘战强张入仁.镍基高温合金高速铣削加工表面完整性[J].

中南大学学报:自然科学版201243(7).



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