表面层物理机械性能的影响因素及控制
由于受到切削力和切削热的作用，表面金属层的力学物理性能会产生很大的变化，最主要的变化是表层金属显微硬度的变化，即表面层金属的加工硬化和在表层金属中产生的残余应力。
（一）表面层金属的加工硬化（冷作硬化）
1.表面层金属的加工硬化（冷作硬化）概述
切削（磨削）过程中产生的塑性变形，会使表层金属的晶格发生畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，从而使表层金属的硬度和强度提高，这种现象称为加工硬化或冷作硬化。加工硬化通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度HV 以及硬化程度N 来表示，如图4-36所示。其中N＝HV/HV0，HV0 为材料原来的显微硬度。
图4-36 表面层加工硬化程度和深度
金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化，这些现象称为弱化。机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。
由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。影响表面层加工硬化的因素有切削力、变形速度和切削温度（变形时的温度）。概括来说：切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。变形速度越大，塑性变形越不充分，硬化程度也就随之降低。变形时的温度不仅影响塑性变形的程度，也会影响变形后金相组织的恢复。因此，表层金属加工硬化是强化作用和恢复作用的综合结果。切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则恢复作用也就越强。
2.影响切削加工表层金属加工硬化的主要因素
（1）刀具几何参数的影响。切削刃钝圆半径的大小对切屑形成过程的进行有决定性影响。试验证明，已加工表面的显微硬度随着切削刃钝圆半径的加大而明显地增大。这是因为切削刃钝圆半径增大，径向切削力也将随之增大，表层金属的塑性变形程度加剧，导致冷硬增大。所以，刀具刃口钝圆半径增大，加工硬化程度增大；前角减小，加工硬化程度增大。
图4-37 后刀面磨损对表面硬化的影响
后刀面磨损VB值对硬化层深度的影响如图4-37所示。刀具磨损对表面层金属的冷硬影响很大。由图4-37可知，刀具后刀面磨损宽度VB从0增大到0．2mm，表层金属的显微硬度由HV220增大到HV340，这是由于磨损宽度加大之后，刀具后刀面与被加工工件的摩擦加剧，塑性变形增大，导致表面冷硬增大。但磨损宽度继续加大，摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增大，表层金属的显微硬度逐渐下降，直至稳定在某一水平上。后角、主副偏角以及刀尖圆弧半径等对表层金属的冷硬影响不大。
（2）被加工工件材料。工件材料塑性越大，加工硬化倾向越大，硬化程度越严重。碳钢中含碳量越大，强度越高，其塑性越小，因而冷硬程度越小。有色合金金属的熔点低，容易弱化，冷作硬化现象比钢材轻得多。
图4-38 切削用量f、v对冷硬程度的影响
（3）切削用量。切削加工时，切削用量中以进给量和切削速度的影响最大。总的来说，切削速度和进给量f 的增大会使加工硬化程度增大，如图4-38所示。但切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果，不同的速度阶段对冷硬的主导因素不同。当切削速度增大时，刀具与工件的作用时间减少，使得塑性变形的扩展深度减小，因而冷硬深度减小；当切削速度进一步增大时，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。切削深度ap 对表层金属冷作硬化的影响不明显。
3.影响磨削加工表面冷作硬化的因素
图4-39 磨削深度ap 对冷硬程度的影响
（1）工件材料性能的影响。分析工件材料对磨削表面冷作硬化的影响，可以从材料的塑性和导热性两个方面着手进行。磨削高碳工具钢T8，加工表面冷硬程度平均可达60%～65%，个别可达100%；而磨削纯铁时，加工表面冷作硬化程度可达75%～80%，有时可达140%～150%。其原因是纯铁的塑性好，磨削时的塑性变形大，强化倾向大。此外，纯铁的导热性比高碳工具钢高，热不容易集中于表面层，弱化倾向小。
（2）磨削用量的影响。加大磨削深度ap，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面冷硬倾向增大，如图4-39所示。(https://www.daowen.com)
加大纵向进给速度，每颗磨粒的切屑厚度随之增大，磨削力增大，冷硬增大。但提高纵向进给速度，有时又会使磨削区产生较大的热量而使冷硬减小。加工表面的冷硬状况要综合考虑上述两种因素的作用。总之，在磨削加工时，工件转速增大，加工硬化程度增大；磨削深度增大，加工硬化程度增大，磨削速度v增大，会使切削温度明显升高，加工硬化程度将会减小。
（3）砂轮粒度的影响。砂轮的粒度越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。
（二）表面层金属的残余应力
在机械加工过程中，当表层金属组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时，将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的残余应力。
1.切削（磨削）过程中形成表面层金属残余应力的原因
（1）冷态塑性变形。在切削力的作用下，加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压与摩擦，使晶格扭曲，表面层金属比容增大，体积膨胀，但受到与它相连的内层金属的牵制，故加工后表层金属产生残余压应力（－），里层产生残余拉应力（＋）。
（2）热态塑性变形。切削加工中，在切削热的作用下，已加工表面的温度往往很高而产生热膨胀，此时表层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力（＋），里层则产生残余压应力（－）。在磨削时，磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至会产生裂纹。
（3）金相组织变化。当加工表面温度超过工件材料的相变温度时，其金相组织将会发生相变。不同的金相组织有不同的密度，故相变会引起体积变化。由于基体材料的限制，表面层金属体积膨胀时会产生残余压应力，缩小时会产生残余拉应力。磨削淬火钢时，如果表面层产生回火，其金相组织由马氏体转化为索氏体或托氏体，表层金属密度增大而体积缩小。表面层将产生残余拉应力，里层将产生残余压应力。
实际加工后，表面层残余应力是上述三方面因素综合作用的结果。冷态塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余压应力；而热塑性变形占主导地位时，表面层则会产生残余拉应力。
2.影响车削表层金属残余应力的工艺因素
研究结果表明，车削时表面残余应力的数值在200～800MPa范围内变化。使用磨钝的车刀加工时，残余应力可达1 000MPa。
（1）切削速度和被加工材料的影响。在低速车削时，切削热的作用起主导作用，表层产生拉伸残余应力。随着切削速度的提高，表层温度逐渐提高至淬火温度，表层金属产生局部淬火，金属的比容开始增大，金相组织变化因素开始起作用，致使拉伸残余应力的数值逐渐减小。当高速切削时，表层金属的淬火进行得较充分，表面层金属的比容增大，金相组织变化因素起主导作用，因而在表层金属中产生了压缩残余应力。
（2）进给量的影响。加大进给量，会使表层金属的塑性变形增加，切削区发生的热量也将增加。加大进给量的结果，会使残余应力的数值及扩展深度均相应增大。
（3）前角的影响。前角对表层金属残余应力的影响极大。以150m/min的切削速度车削45钢，当前角由正值变为负值或继续增大负前角时，拉伸残余应力的数值减小。当以750m/mim 的切削速度车削45钢时，前角的变化将引起残余应力性质的变化。刀具负前角很大（－30°～－50°）时，表层金属发生淬火反应，表层金属产生压缩残余应力。
当车削容易发生淬火反应的18Cr Ni Mo A 时，在150m/min的切削速度下，用前角为－30°的车刀切削，就能使表层金属产生压缩残余应力；而当切削速度增加到750m/min时，用负前角车刀加工都会使表面层产生压缩残余应力；只有在采用较大的正前角车刀加工时，才会产生拉伸残余应力。前角的变化不仅影响残余应力的数值和符号，而且在很大程度上影响残余应力的扩展深度。
此外，切削刃的钝圆半径、刀具磨损状态等都对表层金属残余应力的性质及分布有影响。
3.影响磨削残余应力的工艺因素
磨削加工中，塑性变形严重且热量大，工件表面温度高，热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响都很大。在一般磨削中，若热因素起主导作用，工件表面将产生拉伸残余应力；若塑性变形起主导作用，工件表面将产生压缩残余应力；当工件表面温度超过相变温度且又冷却充分时，工件表面出现淬火烧伤，此时金相组织变化因素起主要作用，工件表面将产生压缩残余应力。在精细磨削时，塑性变形起主导作用，工件表层金属产生压缩残余应力。
（1）磨削用量的影响。磨削深度对表面层残余应力的性质、数值有很大影响。在磨削工业铁时，磨削深度对残余应力的影响规律如下：当磨削深度为很小（ap＝0．005 mm）时，塑性变形起主要作用，因此磨削表面形成压缩残余应力。继续加大磨削深度，塑性变形加剧，磨削热随之增大，热因素的作用逐渐占主导地位，在表层产生拉伸残余应力，且随着磨削深度的增大，拉伸残余应力的数值将逐渐增大。当ap 大于0．025mm 时，尽管磨削温度很高，但因工业铁的含碳量极低，不可能出现淬火现象，此时塑性变形因素逐渐起主导作用，表层金属的拉伸残余应力数值逐渐减小；当ap 取值很大时，表层金属呈现压缩残余应力状态。
提高砂轮速度，磨削区温度升高，而每颗磨粒所切除的金属层厚度减小，此时热因素的作用增大，塑性变形因素的影响减小，因此提高砂轮速度将使表层金属产生拉伸残余应力的倾向增大。
加大工件的回转速度和进给速度，将使砂轮与工件热作用的时间缩短，热因素的影响逐渐减小，塑性变形因素的影响逐渐增大。这样，表层金属中产生拉伸残余应力的趋势逐渐减小，而产生压缩残余应力的趋势逐渐增大。
（2）工件材料的影响。一般来说，工件材料的强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生拉伸残余应力的倾向就越大。碳素工具钢T8比工业铁强度高，材料的变形阻力大，磨削时发热量也大，且T8的导热性比工业铁差，磨削热容易集中在表面金属层，再加上T8的塑性低于工业铁，因此磨削碳素工具钢T8时，热因素的作用比磨削工业铁明显，表层金属产生拉伸残余应力的倾向比磨削工业铁大。
