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1、切屑根部金相标本制备、变形系数及剪切角的测定 金属切削实验技术 王红军 2008. 11 主要内容 n变形系数的测定 n剪切角的测定 n切屑根部金相标本制作 1.切屑根部金相标本制作 基本步骤 ： 切屑根部标本 的嵌装 试样表面的制 备 试样的抛光 金相腐蚀 1.1切屑根部标本的嵌装 l切屑极易断离和变形，为防止切屑断离及变形必须对切屑 根部标本进行嵌装。 l快速落刀装置取得切屑根部后，需将切屑连同与其毗连的工件 仔细切割(机械切割、线切割)。 l标本尺寸一般宜在1015mm范围内 。 标本的嵌装将切屑根部标本镶嵌在低熔点金属、硫磺、硬塑 料或环氧树脂中。 金相根部嵌装 切屑根部 标本 金属环
2、 平板 1.1.1 用低熔点、硫磺或环氧树脂嵌装 常用嵌装试样的低熔点合金有铋、铅、锡等，不同含量其熔 点温度76124之间。 低熔点合金存在不足 ： u腐蚀剂会渗入试样和镶 嵌材料间 u灌注的合金对试样起 电化保护作用而影响显 现显微组织的效果 用硫磺作为镶嵌材料 硫磺避免了低熔点合金的不足，且价廉，与大多数金相化学腐蚀 剂不起化学反应，采用较多。 存在的主要缺点： 金相显微镜观察时，背景与标本的颜色对比度不强，影响拍 摄效果。 用环氧树脂作为镶嵌材料 固化后性能符合要求，镶嵌工艺简单。 1.1.2 用硬塑料嵌装 嵌装用硬塑料为黑色酚醛树脂(黑电木粉，热固性塑料，在 130150左右固化)
3、用硬塑料镶嵌标本装置 压头 压模 标本 底座 加热板 市场销售的标本嵌装机采用在压 模外缠绕电热丝加热的方法，且 温度可调。(目前最常用的嵌装 切屑根部的方法) MC004-ZXQ-2全自动金相试样镶嵌机 镶嵌设备 1.2 试样表面的制备 锉刀或砂轮 平整表面 砂布磨光( 从粗到细) 1.2.1 制备过程 砂轮平整试样时，不要使试样产生烧伤 。 砂布磨光时，开始用较粗砂布(100#150#)，然后逐渐改用较 细砂布，最终磨制时用200#240#细砂布。 细 磨 1.2.2 砂布磨光时注意事项 磨制标本时，不能过分用力将试样压在磨盘上，以免被磨表面 发热过度。 当用一种砂布磨光时，试样的位置不应
4、变动。当换用下一号砂 布时，应将试样位置转动90，使新的磨痕垂直于前一磨痕， 当前一磨痕被磨掉后才更换下一号砂布。 在每次更换砂布时均应仔细清洗标本。 1.2.3 细磨方法 黑色金属标本，细磨用粒度为240#280#金刚砂为磨料。 细磨方法：将细麻布箍紧在旋转磨盘，试样轻压在磨盘上，工 作时磨盘始终保持一定的湿度。 钢试样细磨用铬铝研磨膏作为磨光剂。 对铝及铝合金试样，平整铝试样表面用锉刀；磨光则在涂有 石蜡煤油溶液的140#、180#和240#的砂布上循序进行。 成 分 粗 磨中 磨细 磨 氧化铬373532 氧化铝373532 石蜡202430 脂肪酸333 煤油222 碳酸钠111 铬铝
5、研磨膏的成分(重量百分比) 1.3 试样的抛光 黑色金属 用氧化铬或氧化铁的细粉末进行抛光 。 抛光粉与蒸馏水混和 。 将细呢绒经水泡浸后箍在磨盘上进行抛光 。 试样轻压于旋转的磨盘上(n=7001000rpm)。 1L水加入5g氧化铝 ，或1015g氧化铬 或氧化铁 铝试样 预抛光终抛光 + 细呢绒，抛光剂用 氧化铝+蒸馏水，混 和液湿润细呢绒， 磨盘转速约300rpm 丝绒，丝绒用水湿润 ，细氧化镁粉或氧化 铝粉涂在丝绒上，磨 盘转速约100rpm 纯铜试样 用氧化铝与蒸馏水的混和液 在装有细绕的磨盘上抛光 涂有极细的氧化镁粉 的丝绕进行终抛光 切屑根部在流水中清洗干净无水酒精清洗热风机干
6、燥保 存于干燥皿或马上进行金相腐蚀。 抛光设备 LP-2双盘立式金相试样抛光机 1.4 显微组织的显现金相腐蚀 腐蚀原理：由于金属内各个晶粒的方向不同、各种组织的物理 性能及晶粒边界和晶粒内部的化学成分不同，腐蚀时使金属发 生选择性溶解，从而显现出金相组织。选择性溶解很大程度上 取决于相邻组织单元的电化学势。在腐蚀剂中起阳极作用的组 织首先溶解；直接与晶粒边界或相边界毗连的地方，其合金元 素成分不同于金属的平均成分，通常也是并且是较剧烈地溶解 ，从而显露出金相组织。 腐蚀前，仔细清除试样表面的油渍 腐蚀时所产生的气泡不能附在试样表面 不同材质试样，使用不同的腐蚀剂 材 料腐蚀剂成份 碳钢、低合
7、金钢、中合金钢、 高速钢、铸铁 硝酸25mL，无水酒精 9895mL 1Cr18Ni9Ti不锈钢硝酸1mL， 盐酸1mL 耐热钢硫酸铜4g，盐酸20mL，水20mL 纯 铜 饱和氨溶液50mL，3%过氧化氢溶 液50mL 铸钢、黄铜、青铜 饱和氨溶液50mL，3%过氧化氢溶 液10mL 铝氢氧化钠0.51g，水99.599mL 试样腐蚀后即用水冲洗，并用无水酒精清洗且用热风机干燥 。 若不马上进行观察，应涂上凡士林以防锈 。 切屑根部金相照片 2.变形系数的测定 2.1变形系数的定义 厚度变形系数 长度变形系数 假设，切屑宽度与切削层宽度相 等，且切削前后金属体积不变 2.2 变形系数测定的方
8、法 2.2.1 长度法 用车床或刨床车削金属，取得一段切屑后，用软金属丝沿切屑 底面测出切屑长度lch，并计算出该段切屑相对应的切削长度lc， 根据公式计算出变形系数。 车削时控制车削长度方法 V形槽法 60 ap u V形槽法 测量原理：平行于工件轴线铣一角 度为60、深度小于切削深度ap的沟 槽(一般，槽深为11.5mm)。 切削时，切屑是连续的带状，但从切屑上 的沟槽即可判别出两相邻沟槽间的切屑长 度即为工件一转时所对应的切屑长度。 u 矩形槽法 测量原理：平行于工件轴线铣出宽度约23mm的矩形槽。为 了减小切削时的冲击，用浇注的办法将铅灌注在矩形槽内。 切削工件一周时，切屑自动分离，得
9、到切削一圈时所对应的 切屑长度。此时，切削长度为工件圆周长减去槽的宽度。 23 铅 矩形槽法 u 小孔法 测量原理：用钢管进行直角自由切削时(车端面)，在钢管端面 平行于工件轴线钻一小孔，在切下的切屑中根据两相邻小孔 辨认出切削钢管一周所对应的切屑长度。 小孔法 2.2.2 厚度法 u 百分表法 测量原理：将切屑底面放在平台， 百分表的量头在切屑顶面进行测量 ，根据百分表预先在标准块上的校 准值以及表针的读数便可测出切屑 厚度。 由于切屑顶面非常毛糙，实际测量时应测量几处的切屑厚度 取平均值，以减小测量误差。 百分表测量切屑厚度 百分表 切屑 表座 平台 u 显微镜测定法 相同切削条件下取得若
10、干切屑根部标本，在工具显微镜下测得 切屑厚度，取平均值作为该切削条件下的切屑的厚度。 u 测厚仪测量法 超声波测厚仪： 测量范围 0.65260 分辨率 0.01 MINITest400超声测厚仪 2.2.3 速度法 测量原理：切屑经过切削时的塑性变形后，其长度比切削长度 缩短了倍，亦即切屑沿前刀面排出的速度比切削速度减小 倍，故变形系数亦可用 切削速度 切屑沿前刀面 流出的速度 具体方法 ： 用秒表准确记录第一 条切屑在刀刃上断裂 后开始切削至第二条 切屑断裂的时间t(s) 用漆包线或电工 保险丝测量在t 时间内所切下切 屑的长度lch 计算切屑平 均速度vch d工件直径(mm) n工件转
11、速(rps) 方法简单，切屑长 时测量误差较大 2.2.4 质量法 质量法的假设前提：材料在切削前后密度不变 。 测量原理：当切削长度为lc时，被切削层材料的质量为， 式中，m切削层材料的质量(g)，与相应的切屑质量相同； 被切材料的(g/mm3) ，在切削前后材料密度不变； ac切削厚度(mm)； aw切削宽度(mm)； l切削长度(mm)。 任取一段切屑，在天平上精确地测出质量m后，再测量出其长 度lch。 切屑长度的选取：若切屑过短则测量时难以手持；太长则造成 测量误差较大。一般选取切屑的长度25100mm比较合适。 3.剪切角的测定 M 刀具 切屑 O A 终滑移线 始滑移线=s 3.
12、1 直接测量法 利用切屑根部磨片在金相显微镜下观察及拍摄 3.2 间接测量法 通过测力仪测出切削力Fz和径向切削力Fy，求出切屑与前刀面 的摩擦角，计算得到剪切角。 表达式依据理论 最小能量原理(Merchant) 滑移线场理论(Lee and Shaffer) 最小能量原理结合实验(修正的Merchant) 动力学原理 四种计算剪切角比较 摩擦系数 剪切角 NO.1Merchant NO.2Lee and Shaffer NO.3修正的Merchant NO.4动力学公式 四种公式计算剪 切角，相差较大 ；用金相磨片直 接测量剪切角办 法最为可靠。 附：剪切角的理论公式 根据剪切面的切削模型
13、理论，可以建立变形的几何关系，用剪 切角即可衡量切屑变形程度的大小；若知道被切削材料的剪 切屈服极限s、剪切角与刀具前刀面上的摩擦角及前角o 之间的关系，有可能求得理论切削力的大小。建立剪切角的理 论公式 ，则对预测切屑变形程度和切削力大小均 有十分重要的实际意义。 Merchant (麦钱特)的理论公式 Merchant理论公式的假设 ： l切削时形成带状切屑，且不产生屑瘤 。 l刃口力忽略不计 。 l当剪切角改变时，摩擦角和剪切面上的剪应力是独立的不变量 。 l满足最小能量原理 。 Merchant认为，剪切角应根据最小切削功原理确定，亦即剪 切面在切削所需功率为最小的方向。 切削功率为
14、令 硬质合金刀具，o=-10+10，干切削， ac=0.0280.2mm,v=60360m/min 实验结果 计算结果 式中，0=0时的s； K比例常数。 代入Pm公式，令 C切削常数 。 若令K=0，则C=/2与 前一方程式结果一致。 有些研究者得到的许多 实验结果与上式计算的 理论值仍不一致。 切削常数C的物理意义 l遒井和高田根据工藤有关滑移线场理论所进行的研究表明， Merchant剪切角理论公式实际上给出的是实验数据范围的上限 。 Merchant切削方程式具有如下特点: l实际的切削数据往往分布在很宽的范围内。 lK是从切削实验求得的，有较大的布里奇曼效应 。 l假设中认为与无关，
15、可是求得的切削方程式表明与之 间有函数关系，与假设矛盾，实验结果也证明是随变化的 。 Lee and Shaffer(李和谢弗)的理论公式 Lee and Shaffer认为，Merchant只对单一剪切面处于塑性状态 的切削模型进行了讨论，实际上，在剪切面以外的部分变形虽 然小，但也处于塑性变形状态中。采用滑移线理论对此进行了 分析。 Lee and Shaffer的剪切角公式假设条件刚性-完全塑性体 Lee and Shaffer的滑移线场切削模型 Lee and Shaffer假设，剪切面AC为第二滑移线，是塑性区 ABC与刚性区的边界，在此面上剪应力最大值。AB是塑性区与 切屑的边界，
16、为主应力面，与AC成45角，并与切削合力F方向 平行，其主应力和剪应力均为零。 均匀应力场ABC的应力圆 Merchant、Lee和Shaffer理论 公式与实验结果的比较 由理论公式计算与实验结 果不一致，试验点位于理 论值的上方。Lee和 Shaffer认为是由于在高 速切削时刀尖处常出现小 积屑瘤的缘故，因而提出 了前刀面上有积屑瘤的滑 移线场切削模型。 有积屑瘤时Lee and Shaffer的 滑移线场切削模型 Oxley(奥克斯利)的理论公式 奥克斯利建立剪切角理论公式时，考虑了加工硬化、尺寸效应 、剪切区宽度和温度应变速度效应等因素的影响。 塑性变形区 此公式考虑了其它理论公式所未能考虑的若干重要因素的影响 ，与实验结果比较符合。但进行具体计算时，必须知道AB面上 的k和k/S
