摘要:通過對淬硬軸承鋼GCr15進行了磨削實驗，采用熱電偶和三向壓電晶體測力儀測量了磨削溫度和磨削力。通過X射線衍射儀對磨削表面殘余奧氏體含量、馬氏體亞晶粒尺寸以及微觀應變進行了分析。通過有限元分析軟件仿真計算了工件表面的接觸應力和應變，討論了塑性變形在磨削白層形成中的作用。結(jié)果表明:法向磨削力引起材料的強烈塑性變形和高接觸應力;工件表面高的接觸應力能降低材料相變溫度，促進相變的發(fā)生;強烈的塑性變形能細化晶粒作用;磨削白層的厚度隨著塑性變形的增加而增加，而其亞晶粒大小隨塑性變形的增加而減小。

關鍵詞:白層;磨削力;接觸應力;塑性應變;相變

中圖分類號:TG580.1 文獻標識碼:A

Action Mechanism of Plastic Deformation on Grinding White Layer of Harden Bearing Steel

Huang Xiangming， Zhou Zhixiong， Yang Jun， Dai Miao

(College of Mechanical and Vehicle Engineering Hunan University， Changsha，410082)

Abstract: The grinding temperature and the grinding force are respectively measured by using the thermocouple technique and 3-axis piezoelectric dynamometer in grinding process of GCr15 harden steel. The residual austenite content， subgrain size of martensite and micro-strain in grinding surface are analyzed based X-ray diffraction (XRD) examinations of microstructure.The contact stress and plastic strain of grinding surface are simulated by using the finite element method (FEM). Effect of plastic deformation on grinding white layer is discussed. The results show intense plastic deformation and high contact stress can be brought by the normal grinding force. High contact stress can reduce phase temperature and plastic strain can refine crystal grain. The depth of white layer increases with the plastic strain and the crystal subgrain size decreases with the plastic strain.

Key words: White layer; Grinding force; Contact stress; Plastic strain; Phase transformation

高硬難加工金屬材料如淬硬鋼由于高強度和高硬度(HRC>55)，應用極其廣泛，如齒輪、軸承、工具、模具、凸輪軸等。而高硬金屬材料在加工過程中，經(jīng)常會在加工表面產(chǎn)生一層硬度很高的微細組織-白層。白層具有高硬度、不易浸蝕、晶粒細，另一方面又表現(xiàn)高脆性和存在較大的殘余拉應力，易引起零件早期失效[1~5]。白層是影響工件性能和表面完整性的重要因素，因此白層的形成機理成為近年來精密加工表面質(zhì)量的研究熱點。

目前對白層的研究主要集中在摩擦學領域如磨損以及硬態(tài)車削，其分歧主要集中在組織結(jié)構(gòu)特性、形成機制等方面。國內(nèi)外學者對白層的形成機制針對不同加工方式做了相關的實驗和理論研究。Stead等[6~8]認為白層是摩擦過程中在局部區(qū)域的溫度足以達到或超過平衡相變溫度，使表面發(fā)生奧氏體化，并快速淬火形成馬氏體組織，屬于溫度作用機制。楊業(yè)元等[9，10]認為白層只是由塑性變形得到的非常規(guī)馬氏體，磨損過程中的高度塑性變形導致了白層內(nèi)部的細晶結(jié)構(gòu)，屬于塑性變形機制。XU等[11，12]認為白層的形成主要是摩擦過程中在局部區(qū)域的溫度足以達到或超過奧氏體轉(zhuǎn)化相變溫度，同時強烈的塑性變形對白層晶粒起到細化作用，屬于溫度和塑性變形綜合作用機制。磨削加工過程中，磨削比能很大，且絕大部分能量轉(zhuǎn)化為磨削熱，使磨削區(qū)的溫度急劇升高，因此，磨削白層的產(chǎn)生一般認為是溫度作用機制[7，8]。對于磨削加工過程中磨削力產(chǎn)生的塑性變形在白層形成機理中的作用并沒有進行深入地研究。

本研究以工業(yè)中廣泛使用的軸承鋼GCr15為試件，采用熱電偶和三向測力儀測量了不同磨削條件下的磨削溫度和磨削力。使用光學顯微鏡以及X衍射儀對磨削表面白層進行了分析，并通過有限元仿真計算了磨削表面的接觸應力和塑性應變。從磨削力形成高的接觸應力和塑性應變出發(fā)，探討了塑性變形在白層形成過程中所起的作用。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試件材料為軸承鋼GCr15，其化學成分和名義相變溫度見表1，試件尺寸16mm×20mm×12mm，加熱到840℃保溫30分鐘，機油淬火，180℃保溫2個小時，空冷，平均硬度為HRC62。

1.2 實驗方法

在精密平面磨床MGK7120×6上進行磨削工藝實驗。實驗選用陶瓷結(jié)合劑氧化鋁砂輪WA60L，其直徑為200mm。為了保證砂輪外圓周徑向跳動小于1μm，用單顆粒金剛石筆修整砂輪。磨削力和磨削溫度測量系統(tǒng)如圖1所示。在工件剖分面加工出0.3×0.2mm矩形溝槽中放置兩根直徑為0.1mm(端部展平厚度約40μm)的鎳鉻-鎳硅，并通過厚度為不大于0.02mm的云母片與工件相互絕緣。工件及夾具固定在三向壓電晶體測力儀(Kistler-9257B)上，通過測力儀可測量磨削力。磨削過程中，磨削高溫的作用，鎳鉻-鎳硅相互搭接形成熱電偶，根據(jù)鎳鉻-鎳硅熱電偶的溫度標定，將電信號的電壓值轉(zhuǎn)換成磨削溫度值。

磨削實驗前對新修整的砂輪先進行預磨削一定行程，使得砂輪處于正常磨損狀態(tài)。磨削方式為順磨，干磨;磨削用量:砂輪速度為30m/s，工作臺進給速度為0.2m/s，磨削深度分別為20μm、15μm、10μm和5μm。

采用電火花線切割機沿垂直于加工面截取磨削后的試件，用金相砂紙打磨并拋光截面后，去除工件表面污染，并用4%的硝酸酒精進行輕微腐蝕。將清潔干燥后的試件放入金相顯微鏡(型號MM6-Leitz)觀察室中，觀察磨削表面形貌，并測量白層厚度。使用日本Rigaku D/max2500型自動X射線衍射儀測量了試件磨削表面的殘余奧氏體含量、組織亞晶粒的尺寸和微觀應變。

2 實驗結(jié)果

2.1白層組織

圖2為磨削深度ap=5μm磨削后其截面光學顯微鏡下觀察的組織結(jié)構(gòu)，并未發(fā)現(xiàn)有白層存在。圖3為磨削深度ap=10μm磨削后其截面光學顯微鏡下觀察的組織結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出白層位于試件表層具有一定厚度的超細化層，其厚度最大處約為3.8μm，圖4和圖5為磨削深度ap=15μm和20μm磨削白層的微觀結(jié)構(gòu)。

由圖3～5觀察白層的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)白層組織是一層晶粒尺寸遠小于基體材料的馬氏體結(jié)構(gòu)，主要為隱晶馬氏體組織，存在高密度位錯。由圖看來，隨著磨削深度的增加和磨削溫度的不斷升高，磨削白層的厚度增大，說明磨削溫度在白層的形成中起到很大的作用。

2.2 磨削力

圖6為各工藝參數(shù)下測量的法向磨削力 和切向磨削力 數(shù)據(jù)，從圖上可以看出隨磨削深度增加法向磨削力明顯增加，而對切向磨削力影響相對較小。砂輪磨粒刃施加于工件表面的切向磨削力與法向磨削力所起作用有所不同，前者在工件表面切除溝槽后，后者進行擠壓。從磨削力測試結(jié)果可知，所有工件法向磨削力大于切向磨削力2倍以上。

2.3 磨削溫度

磨削過程中熱電偶的熱慣性不可能達到平衡時的溫度，存在動態(tài)響應誤差。通過熱電偶測量以及考慮動態(tài)誤差進行補償后的溫度，可作為磨削工件表面的真實溫度[13]。圖7為不同磨削深度下磨削表面的實際溫度，從圖中可知ap為15μm和20μm工件磨削表面的最高溫度都已經(jīng)超過GCr15的奧氏體轉(zhuǎn)化溫度Ac1(745℃)，表明材料已經(jīng)發(fā)生了相變。當ap=5μm工件磨削表面的最高溫度達到469℃，遠遠低于的奧氏體轉(zhuǎn)化溫度，材料沒有發(fā)生相變，磨削表面也沒有發(fā)現(xiàn)有白層。對于ap=10μm工件磨削表面最高溫度為707℃，并沒有超過名義相變溫度，但仍在其表面產(chǎn)生了一定厚度的白層。通過計算表明產(chǎn)生白層的工件其砂輪接觸區(qū)最大溫升率達到105～106℃/s，冷卻速度大于104℃/s，由于其冷卻速度比常規(guī)淬火高，故形成細小的隱晶馬氏體。

2.4 X射線衍射分析

通過對晶體的衍射線相對強度I來表征不同晶體結(jié)構(gòu)，對樣品所得到的衍射數(shù)據(jù)與標準多晶體X衍射圖譜進行對比來確定白層的晶體結(jié)構(gòu)。圖8為磨削加工表面和加工前(淬火基體)的X衍射譜的對比。通過測試表明白層組織是一種由馬氏體(α相)、殘余奧氏體(γ相)和少量碳化物組織的混合結(jié)構(gòu)。從圖可以看出白層組織中奧氏體和碳化物衍射峰明顯突出，表明殘余奧氏體和碳化物增加。磨削后的馬氏體衍射波峰相對于基體寬化且向左偏移，一方面反映了馬氏體晶粒的細化，另一方面也反映了晶格的無定形化，亦即由于磨削力作用導致內(nèi)部應變存在。通過計算可得到馬氏體相亞晶粒的大小、微觀應變以及殘余奧氏體的含量如表2。

3 磨削加工過程的有限元仿真

通過X衍射可以測量微觀應變的大小，反映磨削加工后殘余的塑性變形情況。磨削加工過程中磨削表面的接觸應力和塑性變形情況可采用有限元模擬。本文采用Msc.Marc有限元軟件對磨削加工過程進行了仿真。將平面磨削加工過程視為二維平面應變問題，而且由于砂輪的硬度比工件高很多，將砂輪視為剛體[14]。模擬過程采用砂輪隨增量步增加連續(xù)移動，結(jié)合Marc軟件的網(wǎng)格重劃分功能，模擬了一個接觸弧長上砂輪從第一顆磨粒接觸工件，到最后一顆磨粒脫離工件，塑性應變達到穩(wěn)態(tài)的磨削加工過程。

模型建立如圖9，因接觸弧長相對砂輪和整個工件來說非常小，可以簡化為直線段。砂輪表面形貌非常復雜，要完全按砂輪形貌來建立磨粒模型很難實現(xiàn)，因此簡化砂輪磨粒，磨粒形狀近似于多棱錐體形狀，露出砂輪表面約1/3，砂輪磨粒尖端圓角半徑為18μm、切刃頂尖角108度，公稱尺寸250～300μm[15]，同時根據(jù)切深和砂輪粒度來確定接觸弧長內(nèi)的有效磨刃數(shù)，簡化后的表面磨?；痉仙拜喬卣?。

磨削采用順磨方式，因此在接觸弧內(nèi)砂輪相對工件移動速度即兩者之和，輸入工件GCr15鋼材料屬性及試驗中各磨削參數(shù)，可得到磨削表面的接觸應力和等效塑性應變見圖10和表3。

4 討論

4.1 磨削溫度對白層的影響

磨削白層厚度與溫度的關系見圖11，其中磨削深度為15μm和20μm試件最高溫度超過材料的名義相變溫度Ac1，產(chǎn)生了較厚的白層。當磨削溫度超過相變溫度后，隨著磨削溫度的增加白層厚度也明顯增加。

磨削深度為10μm的試件其磨削溫度盡管沒有超過其名義相變溫度，仍產(chǎn)生了一定厚度的白層。表明白層不完全是摩擦熱作用引起的，摩擦熱在白層形成機理中并不是唯一的因素。

通過X衍射分析表2可以看出存在有白層的磨削表面中殘余奧氏體含量比加工前顯著增加，表明白層組織發(fā)生奧氏體化，白層產(chǎn)生同時伴隨著材料相變，因此認為相變的產(chǎn)生是白層形成的必要條件。磨削熱在白層的形成中使工件溫度接近或超過相變溫度，為相變轉(zhuǎn)化提供能量基礎。

4.2 接觸應力對白層的影響

由表3看出法向磨削力和接觸應力隨磨削深度的增加而增加。法向磨削力對工件材料形成高的擠壓力，對磨削表面淺層產(chǎn)生較大的接觸應力。對于碳鋼材料因奧氏體比鐵素體密度高，高的壓力能夠降低相變溫度，D.A.Porter繪制了鐵的平衡溫度(α→γ)和壓力的關系[16，17]，表明在高的壓力或應力條件可使相變溫度降低。Ramesh[18]通過Clausius-Clayperon方程可推導出軸承鋼GCr15在高接觸應力的狀態(tài)下，材料的自由能差發(fā)生變化:

其中: 為自由能差， 為對材料的接觸應力。

根據(jù)(1)式可知在磨削加工過程中試件材料的自由能差 因接觸應力的顯著增加而比加工前(常壓條件下)增加。自由能差增大，即所具有的結(jié)晶驅(qū)動力愈大，結(jié)晶(α→γ)的傾向愈大。根據(jù)自由能 與相變溫度Ac1的關系，可知ap=10μm工件材料相變溫度可降低109℃，材料可在低于名義相變溫度Ac1條件下發(fā)生相變。測量的磨削溫度低于名義相變溫度，仍產(chǎn)生了白層組織，也證實了高的接觸應力能導致相變溫度降低，加快材料相變的發(fā)生。

4.2 塑性應變對白層的影響

根據(jù)對磨削表面微觀應變的大小分析，表明白層中存在較大的塑性變形。通過有限元模擬分析，隨著磨削深度增加，磨削表面塑性應變增大。金屬材料在塑性變形的條件下，晶粒內(nèi)部的位錯和亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。隨著塑性變形和位錯之間發(fā)生相互交互作用如位錯的纏結(jié)，當位錯纏結(jié)現(xiàn)象進一步發(fā)展，便會使各晶粒破碎成細碎的亞晶粒，即白層中形成的細晶粒結(jié)構(gòu)。亞晶粒尺寸變小也說明了白層組織里存在高密度的位錯，由表2和3可知，亞晶粒尺寸隨著塑性應變的增加而變小。磨削白層的厚度隨著塑性應變的增加而增加。綜上所述，表明了塑性變形在白層形成過程中起到細化晶粒的作用，促進白層的形成。

5 結(jié)論

1)淬硬鋼磨削白層組織是由馬氏體、殘余奧氏體和少量碳化物組織組成的混合結(jié)構(gòu)。

2)磨削表面白層是材料相變的產(chǎn)物，磨削熱為白層的形成提供能量基礎。

3)塑性變形和接觸應力在磨削白層的形成中起到主要作用。高的接觸應力能夠降低材料的相變溫度，促進相變的發(fā)生。強烈的塑性變形主要是細化晶粒作用。

4)磨削白層的厚度隨著塑性變形的增加而增加，其馬氏體組織的亞晶粒大小隨塑性變形的增加而減小。

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作者簡介:黃向明，男，1971年生，湖南大學機械與運載工程學院講師、博士研究生，主要研究方向為精密制造工程、CAD/CAE，發(fā)表論文10篇。周志雄，男，1953年生，湖南大學機械與運載工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為精密制造工程、磨削鉆削理論與設備等。楊軍，男，1964年生，湖南大學機械與運載工程學院副教授。戴苗，女，1983年生，湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。

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