Параметры состояния поверхностного слоя деталей.

ТЕМА №2.  ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

Содержание лекции: Структура поверхностного слоя. Классификация параметров состояния поверхностного слоя. Геометрические параметры. Физическое состояние. Химический состав. Механическое состояние.

 

Одним из основных факторов, влияющих на надёжность и долговечность деталей машиностроения, является состояние поверхностного слоя этих деталей. Именно материал поверхностного слоя составляет границу раздела фаз: деталь – окружающая среда; все воздействия на деталь в процессе изготовления и эксплуатации осуществляются через её поверхность; практически все проявления дефектов и нежелательных процессов, таких как трещинообразование, эрозионное и коррозионное разрушение, изменение химического и фазового состава, разупрочнение и т.д., начинаются с поверхности.

Параметры состояния поверхностного слоя деталей.

Поверхностный слой детали – это слой, у которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного материала, из которого сделана деталь. Согласно термодинамике поверхностный слой можно рассматривать как открытую термодинамическую систему, способную обмениваться энергией и веществом с окружающей средой и характеризуемую комплексом интенсивных характеристик

 

Схема поверхностного слоя детали

 

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рисунок):

1. Зона адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ. Толщина слоя 1 – 0,001 мкм.

2. Зона продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Толщина слоя 10 – 1 мкм.

3. Граничная зона толщиной несколько межатомных расстояний, имеющая иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру.

4. Зона с измененными по сравнению с основным металлом 5 структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации.

Толщина и состояние указанных слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического и механического анализа.

Многообразие параметров состояния поверхностного слоя и методов их оценки не позволяет выделить единственный параметр, определяющий качество поверхностного слоя. Поэтому в научной и инженерной практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных параметров, с той или иной стороны оценивающих качество поверхностного слоя.

Укрупнено эти параметры характеризуют:

þ геометрические параметры неровностей поверхности;

þ физическое состояние;

þ химический состав;

þ механическое состояние.

Геометрические параметры неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов и волнистости.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности детали и рассматриваемых в пределах базовой длины. Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50.

Волнистость поверхности – это совокупность периодически повторяющихся неровностей, имеющих шаг больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости (отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000).

Волнистость возникает, как правило, при обработке деталей резанием как следствие вибрации технологической системы (станок, инструмент, деталь).

Физическое состояние поверхностного слоя деталей наиболее часто характеризует параметрами структуры и фазового состава. Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими.

Механическое состояние металла определяется двумя группами параметров:

þ сопротивления деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

þ пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов.

В процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются. Это явление называют деформационным упрочнением.

В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость определяют на поверхности металла и внутри металла (например, при помощи послойного травления).

 

Эпюра распределения твердости
в поверхностном слое после упрочнения

 

В результате устанавливают толщину упрочненного слоя h_H и степень деформационного упрочнения d _H (наклёпа):

,

где Н_обр и Н_иск – соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.

Остаточные напряжения – это упругие напряжения, которые остались в детали после обработки. В зависимости от объема тела, в которых рассчитывают остаточные напряжения, они условно подразделяются на напряжения 1-го, 2-го и 3-го родов:

Остаточные напряжения 3-го рода, уравновешенные в пределах нескольких межатомных расстояний. Эти напряжения обусловлены поглощением энергии пластического деформирования, которая составляет 10 – 15% от общей энергии деформации (остальные 85 – 90% переходят в тепло) и вся эта энергия сохраняется в виде искажений кристаллической решетки. Эти искажения и напряжения характеризуются плотностью дислокаций.

Остаточные напряжения 2-го рода, уравновешенные в пределах размера зерен. Они обусловлены тем, что различные кристаллиты, входящие в зерна имеют различной величины модули упругости и деформируемость одного и того же кристаллита по разным осям различна. Поэтому пластическая деформация кристаллов распределяется в микрообъемах неравномерно, что и связано с возникновением напряжений. Напряжения второго рода могут быть обусловлены фазовыми превращениями материала, вызывающими изменение объема отдельных кристаллов, поскольку различные фазовые структуры имеют различные удельные объемы.

Остаточные напряжения 1-го рода, уравновешенные в макрообъемах тела. Они вызваны неоднородностью силового и температурного полей по всему сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не дает соседним участкам полностью вернуться в исходное положение, в результате чего во всех участках появляются напряжения разного знака.

 

 

Одним из важных параметров дислокационной структуры является плотность дислокаций, которые накапливается в материале в процессе его деформации. По мере накопления дислокаций происходит эволюция дислокационной структуры, что обуславливает повышение энергетического уровня металла, изменение его физико-механических, теплофизических, диффузионных и ряда других характеристик.

   Известно, что деление остаточных напряжений на напряжения 1-го, 2-го и 3-го родов условно. Все эти напряжения связаны между собой, поскольку являются следствием искажений кристаллической решётки.