Физико-механические свойства

В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ

 

Один из основных параметров качества поверхностного слоя — физико-механические свойства, которые характеризуются твердо­стью, структурой, величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений, глубиной деформации слоя, наличием или отсутствием внешних дефектов (микротрещины, ликвация и т.п.).

Физико-механические свойства поверхностного слоя отлича­ются от исходного материала. Это связано с воздействием силовых и тепловых факторов при изготовлении и обработке заготовок.

Материал поверхностного слоя испытывает упрочнение (на­клеп) или разупрочнение, изменяется его структура, микротвер­дость, образуются остаточные напряжения.

После механической обработки стальной заготовки в поверх­ностном слое выделяют три зоны (рис. 7.3):

• I — зона резко выраженной деформации, характеризуется боль­шими искажениями кристаллической решетки металла, раз­дроблением зерен, высокой твердостью;

• II — зона деформации, в этой зоне наблюдается вытягивание зерен, навалакивание одних зерен на другие, понижение твер­дости;

• III — переходная зона, в этой зоне состояние слоя постоянно приближается к состоянию исходного материала.

Глубина поверхностного слоя зависит от метода и режимов об­работки и составляет от 5 мкм при тонкой обработке до сотен мкм — при черновой.

Физико-механические свойства поверхностного слоя опреде­ляются применяемыми методами и режимами изготовления и об­работки заготовок.

При обработке лезвийным инструментом имеет место взаимо­действие в основном силовых, а также тепловых факторов, вслед­ствие этого поверхностный слой имеет, как правило, сжимающие (отрицательные) напряжения (рис. 7.3 в).

Рис. 7.3. Поверхностный слой детали из стали: а — структура; б — напряжения в поверхностном слое после абразивной обработки; в — напряжения в поверхностном слое после лезвийной обрабоки

Однако при высоких скоростях резания остаточные напряже­ния могут быть растягивающими.

При шлифовании большее влияние оказывают тепловые фак­торы, меньшее — силовые. Характерные для шлифования высокие температуры в поверхностном слое вызывают структурную неод­нородность и вследствие этого поверхностные прижоги, микро­трещины, цвета побежалости, в поверхностном слое при шлифо­вании возникают остаточные напряжения растяжения, т.е. поло­жительные (рис. 7.3 б).

При накатывании обрабатываемых поверхностей роликами и шариками обеспечивается пластическая деформация поверхност­ного слоя, снижение шероховатости и получение сжимающих на­пряжений. Чрезмерный наклеп при накатывании приводит к раз­рушению («шелушению») поверхностного слоя.

Остаточные напряжения распространяются на глубину 0,05— 0,15 мм.

Воздействие силовых и тепловых факторов также зависит от варьирования режимов резания и условий обработки.

Уменьшение остаточных напряжений в поверхностном слое может быть достигнуто:

• снижением интенсивности теплообразования;

• уменьшением скорости резания;

• уменьшением глубины резания;

• применением более «мягких» кругов и выхаживания при шли­фовании;

• применением обильного охлаждения.

Кроме остаточных напряжений в поверхностном слое изготав­ливаемой детали образуется наклеп в результате больших перепа­дов температур и больших деформаций, приводящих поверхност­ные слои к упрочнению. Интенсивность и глубина распростране­ния наклепа возрастает с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформа­ции металла поверхностного слоя.

Одновременно с упрочнением из-за нагрева зоны резания в металле поверхностного слоя протекает разупрочнение, возвраще­ние металла в его первоначальное ненаклепанное состояние. Ко­нечное состояние металла поверхностного слоя определяется со­отношением скорости протекания процессов упрочнения и разуп­рочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового факторов.

Состояние поверхностного слоя существенно влияет на рабо­тоспособность поверхности. Наклеп поверхности в несколько раз уменьшает ее износ, способствует созданию сжимающих напряже­ний, повышающих предел выносливости, прочность деталей. Рас­тягивающие напряжения увеличивают износ, снижают прочность и приводят к появлению микротрещин на рабочих поверхностях. От остаточных напряжений зависит первоначальная и последу­ющая эксплуатационная прочность деталей и машин.

Целенаправленное формирование поверхностного слоя задан­ного качества, исходящего из требований длительной и надежной эксплуатации деталей, обеспечивается путем применения обычных методов, т.е. рационального выбора последовательности режимов и условий обработки, упрочнения поверхностей закалкой, химико-термической обработкой (цементация, азотирование, цианирова­ние, сульфидирование и др.); наплавкой; гальваническими покры­тиями (хромирование, никелирование, цинкование и др.), а также применением специальных методов.

К специальным методам повышения качества поверхности мо­гут быть отнесены упрочняющие методы пластического деформи­рования без снятия стружки, создающие наклеп и сжимающие напряжения 400—700 Н/мм². К ним относятся: вибрационное об­

катывание, дробеструйное упрочнение, чеканка, обкатывание и раскатывание роликами и шариками, дорнование и калибрование, алмазное выглаживание, электрохимическая обработка и др.