高硬金属材料广泛地应用到齿轮、轴承、叶轮叶片等重要零部件中,而干硬切削技术具有加工精度高、加工效率高并且能够实现绿色加工等优点,从而广泛地应用到高硬金属材料加工。硬切削过程产生极高的热量和严重的塑性变形,从而在已加工表面产生一层与基体微观组织不同的的变质层。硬切削表面变质层对工件抗磨损性能有极大影响,而实现变质层的准确预测是生产实践中控制硬切削工件表面质量的前提,对硬切削技术今后的发展与应用具有重要的推动作用。因此,本文以工业中广泛应用的淬硬GCr15轴承钢为研究对象,对硬切削已加工表面变质层的微观组织、形成机理与预测以及抗磨损性能进行了实验和理论上的探索。主要研究内容如下:(1)硬切削表面变质层的微观组织与形成机理研究。采用正交切削实验获得硬切削已加工表面变质层,并通过扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、电子探针(Electron Probe Micro Analysis,EPMA)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy,TEM)与纳米压痕等实验手段对白层和暗层的微观组织与形成机理进行分析与揭示。结果表明,白层由相变与塑性变形耦合形成,白层由快速奥氏体相变与马氏体相变形成,塑性变形为奥氏体相变提供驱动力,促进了白层的形成:暗层由高温回火与塑性变形耦合形成,次表面切削热与塑性变形为暗层中的动态回复与动态再结晶提供了驱动力,促进了暗层的形成。同时,基于淬硬GCr15轴承钢的Johnson-Cook(J-C)本构模型建立硬切削有限元模型。将实验观察结果与有限元模拟所得已加工表面的温度、应力、应变等分布相结合,分析了切削速度和后刀面磨损对变质层的微观组织与形成机理的影响规律。结果表明,白层厚度随切削速度的增加先增加后减小;白层与暗层的晶粒尺寸随切削速度与后刀面磨损的增加而增加;白层与暗层的厚度随着后刀面磨损的增加而增加;暗层的形成机理随后刀面磨损的增加由动态回复转变为动态再结晶。(2)白层形成临界切削速度与马氏体体积分数预测研究。基于硬切削的热-力耦合特征以及奥氏体相变热力学理论,推导出温度、应力、应变影响下白层奥氏体相变驱动力计算模型。结合奥氏体相变驱动力计算模型与硬切削有限元模拟结果,建立热-力耦合影响下白层形成临界切削速度预测模型,并预测了不同切削厚度、后刀面磨损和刀具前角下白层形成临界切削速度。同时,基于硬切削的热-力耦合特征以及马氏体相变热力学理论,推导出冷却速度、应力影响下白层马氏体临界相变温度计算模型。结合马氏体临界相变温度计算模型与硬切削有限元模拟结果,建立了热-力耦合影响下白层马氏体体积分数预测模型,并预测了不同切削速度、切削厚度、后刀面磨损和刀具前角下白层内马氏体体积分数。(3)白层组织特征与表面残余应力对硬切削已加工表面抗磨损性能影响。对硬切削已加工表面残余应力分布进行了测量,结果表明,在低切削速度与高切削速度范围内,变质层内分别分布残余压应力与残余拉应力;刀具存在后刀面磨损下变质层内为残余拉应力且随着后刀面磨损的增加而增加。对具有白层与不同残余应力分布的工件进行摩擦磨损实验,揭示了白层与残余应力对已加工表面抗磨损性能的影响规律。结果表明,油润滑条件下,白层高硬度和晶粒细化的特征提高了已加工表面的抗磨粒磨损能力,白层高的残余奥氏体含量提高了已加工表面的抗疲劳磨损能力。白层中的残余压应力抑制了裂纹萌生与扩展,从而提高了抗疲劳磨损能力,而残余拉应力增加了白层中裂纹的扩展速度,从而降低了抗疲劳磨损能力。干摩擦条件下,白层的高硬度和晶粒细化提高了已加工表面抗粘着磨损能力。