M42高速钢刀具的抗弯强度试验及分析

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高速钢刀具的失效形式与刀具材料的热处理状态、淬火硬度、强度、韧性、表面质量等因素密切相关，确定它们之间的相互关系及变化规律，对于刀具制造及切削加工具有重要意义。
 
 1 M42高速钢刀具的失效形式
 
 硬度是影响高速钢刀具性能的重要指标之一。M42高速钢(国外牌号)立铣刀经分级淬火后硬度达68～70HRC。由于硬度偏高，该刀具切削工件时，切削刃口很快发生崩刃，导致刀具快速失效。从失效刀具上可观察到两种崩刃形式：①刃口产生如图1所示的均匀崩刃，在前、后刀面之间有一段刃口均匀缺损，产生的崩刃斜面与基面约呈45°角；

图1 M42高速钢立铣刀的均匀崩刃

②刃口产生如图2所示的脆性崩刃，如剥皮似地沿第一、第二后刀面脱层崩刃，即刀具碎片以薄层形式从刀具后表面上剥落，刃口崩刃处局部有放射状和人字形花纹，无疲劳源迹象，因此属脆性崩刃。

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图2 M42高速钢立铣刀的脆性崩刃

此外，在使用过的刀具中还观察到如图3所示的垂直于切削刃的裂纹。失效刀具崩刃后留在刀体上的裂纹方向与磨制后刀面时留下的刀痕方向一致，且裂纹程度与刀具后刀面的表面粗糙度有关，粗糙度值越大，留下的裂纹隐患越多。由于淬火硬度高，刃口处应力易集中，因此一旦产生裂纹，便会急剧扩展，直至刀具某段刃口完全脱离刀体，产生脱层崩刃。

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图3 M42高速钢立铣刀的裂纹

2 刀具的抗弯强度试验

一般来说，刀具硬度高，其耐磨性较好，但韧性较差，脆性较大。通常可用韧性指标来表示刀具抵抗裂纹产生和扩展的能力。评定脆性材料韧性的常用方法是抗弯强度试验(高速钢刀具经淬火后可认为是脆性材料或低塑性材料)。该试验不受试样偏斜的影响，可稳定测试刀具的抗弯强度值。由于强度与韧性相互关连，因此抗弯强度值越高，刀具抗脆性断裂的能力(即韧性)越强。

2.1 试验方法

由于未查到工具钢抗弯强度试验国家标准，因此我们根据材料力学抗弯强度计算公式自行设计了M42高速钢立铣刀的抗弯强度试验方案，并确定了试样和跨距支点尺寸。首先用经不同热处理工艺处理的M42高速钢立铣刀进行切削，并观察刀具的失效形式，然后用失效刀具制成不同尺寸的方形小桁条试样，将试样置于万能材料试验机上，在试样三点弯曲状态下以缓慢速率对试样加载，测出其抗弯强度值。

2.2 试样受力状态分析

试验中，试样断面上的应力分布不均匀，表面应力最大。压力作用点在两个支点之间，试样上表面受压应力，下表面受拉应力，中间段呈悬臂状态。

在试验过程中，受压试样经历三个阶段的变化：①弹性变形阶段；②塑性变形阶段；③裂纹扩展至断裂阶段。由于脆性材料的塑性变形极小，因此第二阶段可忽略不计。

试样破损形式可解释为：试样中段表面应力集中，首先产生弹性变形，当应力大到一定程度后即产生表面裂纹，裂纹迅速扩展到整个试样截面，试样断裂。弹性变形需要一定能量，裂纹扩张至断裂也需要一定能量，两者之和可反映材料从产生裂纹至扩张断裂的难易程度，因此抗弯强度值可表示阻碍材料裂纹扩张的能力。

刀具刃口受力情况如图4所示。切削刃口呈楔角状，实体夹角<75°，切削力集中作用于刃口附近1mm区域内，切削力P基本垂直于前刀面，刃口呈悬臂状，受到压应力，支点在芯径内切圆上。由于刀具受力状态与抗弯试验状态大体相似，因此通过抗弯强度试验来评定刀具材料韧性较为合理。虽然严格地说，抗弯强度试验与刀具实际工作状态仍有不同，如刀具刃口的受力速度、截面大小等均不一样(抗弯强度试验是对试样缓慢加力)，但由于抗弯强度值是表示单位面积所受力的大小，与力的作用速度、刀具截面大小无关，因此上述差别影响不大。

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图4 刀具刃口受力情况

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3 试验结果及分析

采用不同热处理工艺的M42高速钢立铣刀的切削试验与抗弯强度试验结果如表所示。

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表 M42高速钢刀具切削试验与抗弯强度试验结果
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序 号	试样 尺寸 (mm)	热处理工艺	硬度 (HRC)	抗弯强度sbb (平均值)	刀具失效形式与强度试验表现
1	5×5 ×60	原分级淬火：1160～1200℃淬火，540～550℃三次回火	67.3～67.9	3024	切削不久产生均匀崩刃(尺寸10×1)；强度试验时3个试样受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不适合较高速切削，切削参数较低
2	5×5 ×51	同上	67.9～68.3	2746	切削不久产生大块脱层；强度试验时2个试样受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不适合较高速切削，切削参数较低
3	5×5 ×51	同上	68～68.4	2518	切削不久产生11处崩刃(尺寸2×0.3)；不适合较高速切削，切削参数较低
4	5×5 ×51	同上	64～64.4	3543	磨损较快，切削参数较低
5	5×5 ×55	改进分级淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火	67～67.1	3429	切削时有1处崩刃(尺寸1×0.3)；适合较高速切削，切削参数较高
6	5×5 ×55	等温淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火	67～67.1	3605	切削正常，无崩刃；适应较高速切削，切削参数较高

分析试验结果，可得出如下结论：

1) 采用原分级淬火工艺时，刀具热处理硬度高(68～70HRC)，脆性大，不利于正常切削。

2) 采用改进分级淬火工艺时，刀具热处理硬度在65～67.5HRC之间，使用性能有所改善。

3) 采用等温淬火工艺时，淬火过程中奥氏体转变为贝氏体，体积变化小，奥氏体转变为马氏体的数量减少，组织应力减小，经正确回火后，既保持了高速钢刀具所需硬度(65～67.5HRC)，又改善了强度和韧性。在硬度基本相同的情况下，等温淬火刀具的σbb(平均值)比改进分级淬火刀具大约高5.1%。

4) M42高速钢立铣刀的硬度超过67.5HRC后，刀具脆性增大，韧性较差，抗弯强度值较低，只适合用于小余量精铣，不适合用于切削力、冲击力较大的粗铣、半精铣及高速切削。如刀具硬度低于65HRC，虽然可适应较大加工范围，抗弯强度值高，韧性较好，但刀具耐磨性差，工作寿命降低，同样不利于高速切削，难以体现出M42高速钢切削速度高、耐磨性好的特点。为使刀具兼有较大加工范围和较理想的切削性能，将刀具硬度控制在65～67.5HRC之间较为适宜，在此硬度范围内，刀具可保持较高的红硬性和耐磨性，而韧性及强度又可得到适当改善，刃口韧性好，不易崩刃，可选取较高切削速度及较大走刀量。

通过对M42高速钢立铣刀进行抗弯强度试验，分析了刀具材料热处理硬度与韧性之间的内在联系及变化规律，为刀具设计人员提供了合理的刀具硬度范围，对提高刀具使用性能具有重要意义。