1 引言
刀具材料的發(fā)展、機床及其零部件的改進，使得硬態(tài)切削成為可能，并且可達到磨削加工的精度與表面質(zhì)量，為某些淬硬零件的加工開辟了精加工的新途徑。硬態(tài)切削的明顯優(yōu)點是切削時柔性較高，用一定幾何參數(shù)的刀具可加工不同形狀的零件；不用切削液，利于環(huán)境保護；加工時間短，投資費用少。在某些領(lǐng)域，硬態(tài)切削已經(jīng)被證實是一種經(jīng)濟、有效的代替磨削的加工方法。
在硬態(tài)切削過程中，材料已加工表面通常會產(chǎn)生硬度更高的白色非侵蝕薄層，被稱為白層。白層是影響工件性能和表面完整性的重要因素。對白層進行深入系統(tǒng)的研究，對提高硬態(tài)切削質(zhì)量有著非常重要的意義。
2 摩擦學白層研究現(xiàn)狀
“白層”的概念最早始于1912年，它不僅是兩接觸表面摩擦的結(jié)果，也可在一些大變形條件下，甚至是電火花切割及激光表面處理等冷急條件下產(chǎn)生。因它能抵抗一般的腐蝕，在光學顯微鏡下（或普通電子顯微鏡）呈現(xiàn)白色，所以被稱為白層，通常具有比原始材料高的硬度。因?qū)Σ牧系哪Σ聊p性能有重要的影響，又被冠以摩擦學白層、白色浸蝕層、絕熱剪切帶、再結(jié)晶層和摩擦學轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)等不同的名稱。
目前對白層的研究較多，但都未取得突破，尚無明確的研究成果。對白層的研究多集中在摩擦學領(lǐng)域，其分歧與爭議主要集中在白層的組織結(jié)構(gòu)、形成機制和對磨損過程的影響等方面。
2.1 白層的特征
白層是一種形成條件極寬、表現(xiàn)形式各異的磨損表面組織。不同的材料，出現(xiàn)于不同的磨損形式、摩擦條件和摩擦副中。對金屬而言，白層的一般特征為：
(1)非浸蝕性：鐵基材料的白層通常在常規(guī)的浸蝕劑下不易被浸蝕，在光學顯微鏡下呈白色，這也是它被稱為白層的原因；有色金屬材料（如鋁、鈦合金等）在常規(guī)浸蝕劑下有時呈暗色，故也稱為“暗層”。
(2)高硬度：高硬度是白層最顯著的一個特征，通常為HV800～1200，遠高于基體材料（甚至是基體硬度的數(shù)倍）。一些白層的次表層軟化現(xiàn)象可能是由摩擦熱造成的過回火所致。表1為影響鋼表面白層硬度的因素。
表1 影響摩擦表面層顯微硬度的因素
影響顯微硬度的因素－鋼的類型－應(yīng)力因素－溫度因素
斷層遷移率－全部－/－√
加工硬化－全部－√－/
回復/再結(jié)晶-全部－√－√
奧氏體化－α-相鋼－/－√
應(yīng)力導致的馬氏體轉(zhuǎn)化－高硬鋼、某些奧氏體不銹鋼－√－/
熱量導致的馬氏體轉(zhuǎn)化－淬硬鋼－/－√
淀積硬化－高合金鋼、高碳鋼－/－√
回火－馬氏體鋼－√－/
(3)一定厚度的薄層：白層的厚度取決于形成條件和原始組織，不同摩擦、磨損條件下白層的形貌差別很大，白層厚度一般在0.1～100μm之間，最常見的厚度為10～50μm。
(4)超細晶粒度：白層的晶粒尺寸通常在幾十至數(shù)百納米，這可能是表面塑性應(yīng)變積累、二次淬火馬氏體轉(zhuǎn)變、純機械的冷加工或摩擦熱導致再結(jié)晶等所致。
(5)存在裂紋：白層中普遍存在與表面呈不同角度的微觀裂紋，它們對進一步的磨損行為有非常重要的影響。
(6)塑性變形大：在各種磨損白層中都可觀察到高應(yīng)變、高位錯密度、孿晶和滑移線等大量塑變存在的證據(jù)，還有人指出白層具有明顯的形變織構(gòu)特征。
(7)具有與基體相同的化學成分和晶體結(jié)構(gòu)。
2.2 白層的形成機制
隨材料的原始組織不同，白層的組織、形態(tài)及性能都有不同。Xu L Q等學者發(fā)現(xiàn)，隨C含量的增加白層厚度也增加，且白層形成于含有殘余奧氏體、貝氏體及低溫回火馬氏體等組織的材料中，這說明一定量的奧氏體對白層的形成有著重要作用。合金化程度對白層的形成也有影響。Bill R C等學者的研究表明，材料的層錯對白層組織結(jié)構(gòu)具有重要作用，不論白層以何種機制形成，表面的塑性變形和摩擦熱的來源只能是法向載荷。
至今對白層的形成機制仍有爭議，國內(nèi)外學者對白層的形成機制做了大量的實驗、理論分析和研究，主要形成以下幾種觀點：
(1)摩擦熱作用機制：Stead教授提出了白層形成機制的經(jīng)典模型，即白層是摩擦過程中在局部區(qū)域摩擦熱導致高溫（摩擦過程中的溫度足以達到或超過平衡α-γ相變溫度），使表面局部區(qū)域發(fā)生奧氏體化，隨之表面快速淬火形成馬氏體組織。由于轉(zhuǎn)變快，沒有足夠時間進行奧氏體重結(jié)晶，馬氏體在嚴重形變奧氏體中形成，所得馬氏體不同于常規(guī)馬氏體。通常認為白層是由奧氏體、馬氏體和碳化物組成。該模型的重要特點是在白層的次表層存在溫度影響下形成的回火層，其特征是在硬度曲線上呈現(xiàn)軟化峰。
(2)塑性變形機制：不少研究認為，摩擦表面的嚴重塑性變形在白層的形成過程中占有重要地位，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)。楊業(yè)元等人在高碳低合金鋼高應(yīng)力沖擊磨損實驗中觀察到鋼中白層具有多種位錯組織，由磨損外表向里依次出現(xiàn)細條狀、不規(guī)則纏結(jié)胞狀、多邊網(wǎng)狀和等軸晶狀位錯組態(tài)，認為白層是高度變形的區(qū)域，具有多種位錯組態(tài)，它的形成屬于形變機制。許云華等人認為，白層是高度塑性變形、鐵素體晶粒嚴重細化、滲碳體細化溶解消失的區(qū)域，它的形成屬于形變細化溶解機制。
此外，關(guān)于白層的形成機制還有熱—機械機制、再結(jié)晶機制、遷移機制和化學反應(yīng)機制等論點，雖然都有一定的實驗和理論依據(jù)，但未達成共識。
2.3 白層對工件性能的影響
白層對后繼的磨損行為有兩方面的作用：一是白層的高硬度可提高抗磨能力；二是一方面由其脆性導致的裂紋在白層/基體界面上擴展，導致大塊的顆粒按剝層方式脫落；另一方面在形成新相的同時伴隨著裂紋的萌生，白層導致疲勞裂紋的形核。Gangopad-hyay等人觀察到在白層處有大裂紋平行于表面形核并快速擴展。Tonshoff指出白層使彎曲疲勞強度降低，可能與殘余拉應(yīng)力有關(guān)。也有學者認為白層的出現(xiàn)是有利因素。Tomlinson等人發(fā)現(xiàn)，在磨粒磨損過程中，較薄的白層表面尖峰易被磨掉，使表面更易劃傷；相反較厚的白層在幾百米的跑合距離內(nèi)表現(xiàn)出較好的抗磨能力，表面劃傷也少，且白層厚度越大抗磨能力越好。Mashloosh等人也認為白層增加了表層硬度和具有高熱穩(wěn)定性，降低了磨粒磨損的程度，增加了抗磨能力。
3 硬態(tài)切削過程中被加工表面的白層
硬態(tài)切削過程中出現(xiàn)的白層，是工件表面完整性的組成之一，其組織形貌特征和形成機制引起了國內(nèi)外學者的重視。
文東輝等人采用PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼時發(fā)現(xiàn)，工件表層和亞表層的組織狀態(tài)由均勻分布的隱晶馬氏體和結(jié)晶馬氏體以及少量的殘留奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕轻槧畹鸟R氏體、伴隨大量析出的碳化物和少量的殘留奧氏體的金相組織。認為是硬態(tài)切削過程產(chǎn)生大量的切削熱、精加工切屑體積較小，使切削溫度很容易超過GCr15軸承鋼的Ac1(750～795℃)，表層組織重新奧氏體化，切削后工件在空氣中高速旋轉(zhuǎn)得到快速冷卻，避開了等溫冷卻中的“C”曲線，奧氏體將避免在臨界溫度以下的較高溫度范圍內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而全部被保留到較低溫度進行馬氏體轉(zhuǎn)變；馬氏體轉(zhuǎn)變過程中會發(fā)生體積的膨脹，未轉(zhuǎn)變的奧氏體受到各方面的壓縮使一部分奧氏體保留下來，故冷卻到室溫時的組織主要為馬氏體和少量的殘余奧氏體；奧氏體中的含碳量僅為鋼中含碳量的37%，在快速冷卻時碳未能完全溶解，故在表層也可以觀察到析出的碳化物。還觀察到切削過程中的白層厚度隨刀具后刀面的磨損量增加而逐漸增加，認為刀具后刀面磨損量的增大使切削過程中熱量增多，切削溫度很高，是影響工件表面白層形成的主要因素。此白層結(jié)構(gòu)不存在亞表層所謂的回火軟化層，而摩擦學白層的硬度分布在亞表層有一個明顯的梯度。
阿拉巴馬大學的Y Kevin Chou和Chris J Evans等學者通過用磨損的陶瓷刀具硬態(tài)切削52100鋼來研究硬態(tài)切削表面白層的形成機理，認為白層的形成主要是一個涉及鋼的金相變化的快熱—快冷過程。他們應(yīng)用基于JAEGER的移動熱源理論的熱量模型來模擬加工表面的溫度范圍并根據(jù)給定臨界溫度的穿透厚度估計白層的厚度，分析與實驗結(jié)果吻合得很好。
都柏林大學的J Barry 和 G Byrne等學者將已磨損和未磨損的Alumina/TiC刀具加工BS 817M40和低合金鋼(0.8C1.7Cr0.4Mo)所得的白層試樣進行TEM檢測對比，結(jié)果表明白層是由非常規(guī)馬氏體細小晶粒組成，有少量的滲碳體。根據(jù)電子衍射圖，他們認為白層的形成機制類似于在高應(yīng)變率下變形的馬氏體鋼中發(fā)現(xiàn)的絕熱剪切帶（高應(yīng)變作用下，由于在一定距離內(nèi)表面下的局部變形速率高，摩擦熱產(chǎn)生的速度大于向周圍基體散發(fā)的速度，結(jié)果使臨近表面的局部區(qū)域溫度較高，變形抗力隨之下降，材料塑性變形失穩(wěn)而產(chǎn)生絕熱剪切帶），因此，表面白層的形成過程本質(zhì)上是一個絕熱剪切過程，在此過程中動態(tài)回復占主導。隨著后刀面的磨損白層中殘余奧氏體量的增加，被認為是由馬氏體向奧氏體逆轉(zhuǎn)化的程度加劇的結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)工件表面有一定程度的再結(jié)晶，解釋為白層形成過程中由動態(tài)結(jié)晶到動態(tài)回復的過渡，一種由于馬氏體逆轉(zhuǎn)化而使材料層錯能減小而導致的現(xiàn)象，這種再結(jié)晶過程不可能僅僅是基于擴散的熱機制。
在相近的加工條件下，國內(nèi)外學者對白層的形貌和形成得出的結(jié)果和觀點大不相同。通過改良切削條件來使表面組織得到最優(yōu)化控制是我們的長期目標，要達到這個目標，首先要在理論上統(tǒng)一白層的定義和外延，應(yīng)用先進的儀器和手段澄清白層的組織結(jié)構(gòu)；不同原始組織的材料在不同的條件下都可能產(chǎn)生白層，單從熱量或是機械的角度研究白層的轉(zhuǎn)變機制是不夠全面的，白層是否等同于絕熱剪切帶也還有待考察，因此要從系統(tǒng)的角度深入研究，綜合考慮各方面因素來分析其形成機理和對工件彎曲、疲勞和耐磨性等性能的影響，從而達到對其進行有效控制的目的。
4 結(jié)語
白層具有高硬度、不易侵蝕、較薄、晶粒極細、嚴重塑變、形成時間短和存在微裂紋等特征。從廣義上講，白層表現(xiàn)為摩擦磨損表面的顯微組織變化，是摩擦磨損過程的必然產(chǎn)物。白層組織通常出現(xiàn)在材料的表層，同材料的磨損性能密切相關(guān)，一直是磨損領(lǐng)域的一個研究焦點。白層的出現(xiàn)常伴隨著裂紋的形成，這意味著材料行將失效，因而研究白層與磨損的關(guān)系至關(guān)重要。揭開白層形成機制、研究其破壞機理并對其進行有效的控制，對指導摩擦學設(shè)計、改善工件表面質(zhì)量和性能、實現(xiàn)以硬態(tài)切削代替磨削加工都具有重要的意義。
目前對白層的形成機制尚缺乏系統(tǒng)的研究，對白層的組織結(jié)構(gòu)也有待進一步研究。應(yīng)當說，學術(shù)界對白層的本質(zhì)和形成機制尚不清楚，爭論不休。從大量的結(jié)果可以看出，白層的形成強烈依賴于材料本身和外部運行條件。一方面，白層微觀組織結(jié)構(gòu)的澄清將對認識白層的轉(zhuǎn)變機制和在磨損過程中的作用有決定性的意義。目前國內(nèi)對于表面變質(zhì)層的研究還停留在理論探索和初級實驗階段，即用透射電鏡或掃描電鏡觀察磨削表面。要想對其形成機理、顯微結(jié)構(gòu)做出合理的解釋還有待于實驗手段和方法的更新，只有依靠先進的實驗技術(shù)和表面分析測試手段，才能取得突破性的進展。另一方面，研究白層的轉(zhuǎn)變機制，需在大量的實驗基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究摩擦磨損和加工過程中能量的變化規(guī)律，以揭開塑性變形和摩擦熱的真面目。白層是摩擦和加工過程中形成的動態(tài)組織，其結(jié)構(gòu)取決于外加摩擦條件、環(huán)境條件和材料本身性質(zhì)等，從系統(tǒng)的角度進行對白層形成的研究可能會有所突破。
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