ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Проблема прочности поверхностного слоя из "Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев " Два основных фактора должны учитываться при рассмотрении механических свойств поверхностей. Во-первых, сама по себе поверхность представляет двумерный дефект строения твердого тела. Явления эмиссии электронов, сглаживания электронной плотности, появления поверхностных электронных состояний, работа выхода электронов релаксация и реконструкция поверхности, поверхностная сегрегация, диффузия и колебания [11, 12] — таков далеко не полный перечень физических явлений, обусловленных обрывом атомной решетки твердого тела. Во-вторых, концентрация дефектов строения в поверхностных слоях значительно выше, чем в объеме. К ним относятся детали поверхностного рельефа и микротрещины, играющие роль концентраторов напряжений, окисные, адсорбционные и т. п. слои, растворенные атомы окружающей среды, включения (например, частицы абразива), попавшие на предшествующих этапах обработки поверхности. В этих условиях следует ожидать, что прочность особенно чувствительна к структурному состоянию поверхности. [c.14] Установление закономерностей деформации поверхностных слоев и их упрочнения остается нерешенной задачей. В литературе можно встретить диаметрально противоположные выводы — от уменьшения прочности поверхностных слоев в сравнении с объемом материала до аномально высокой прочности [6]. Трудности проведения чистых прямых экспериментальных исследований являются одной из основных причин плохого понимания механики поверхностей. С другой стороны, насыщенность поверхности дефектами чрезвычайно затрудняет теоретическое описание. Влияние дефектов на упрочнение поверхностей крайне неоднозначно. Являясь концентраторами напряжений, многие дефекты снижают энергию зарождения дислокаций вблизи поверхности. Вместе с тем они могут препятствовать перемещению дислокаций, способствовать образованию их скоплений и сеток. [c.14] Аналогичные соотношения могуг быть получены и для скоплений дислокаций. [c.15] Оценки [208] показывают, что значение h для чистых отожженных металлов может составлять несколько микрометров, а для технических металлов, содержащих большое количество стоппоров, на один-два порядка меньше. [c.15] Анализ обширной литературы по особенностям дислокационного поведения и упрочнения поверхностей позволил В. П. Алехину сделать вывод, что о большей или меньшей прочности приповерхностного слоя по сравнению с объемом материала следует говорить, лишь учитывая конкретные условия деформации, ее абсолютное значение и скорость, тип среды и предысторию нагружения материала. На начальном этапе деформации поверхности определяющим является облегченное образование и движение дислокаций. Неизбежное следствие первой стадии — барьерный эффект поверхности, когда вблизи поверхности создается слой с повышенной плотностью дислокаций, препятствующий выходу на поверхность полос скольжения и тормозящий развитие объемной деформации. Закрепленная вблизи поверхности дислокация позволяет другим дислокациям более близкое по отношению к себе прохождение, чем в объеме кристалла, и таким образом для упрочнения приповерхностных слоев необходима большая плотность дислокаций. [c.15] К факторам, определяющим возможность образования адгезионного соединения, следует 01нести прежде всего характер межатомных взаимодействий контактирующих материалов, близость типов и параметров кристаллических решеток, чистоту поверхностей, возможность формирования больших площадей фактического контакта, на которых атомы сближаются до расстояний, достаточных для проявления сил межатомного взаимодействия. Строение металлов в первом приближении удовлетворительно описывается моделью положительно заряженных ионных остовов в газе свободных электронов. Такое строение обеспечивает относительную легкость подстройки решеток при образовании адгезионного соединения. Уже само по себе наличие свободной поверхности приводит к значительному изменению межатомного расстояния в наружных слоях. [c.16] Одного монослоя примесных атомов достаточно для ослабления адгезионного взаимодействия. Вместе с тем для получения и сохранения атомарно чистых поверхностей необходим вакуум порядка 10 Па и очистка (обычно пучком ионов инертного газа) от окислов и адсорбционных слоев. В абсолютном большинстве технологических процессов такие условия недостижимы и нерентабельны. Альтернативный путь — разрушение поверхностных слоев в процессе или непосредственно перед образованием адгезионного соединения методами, рассмотренными при обсуждении активации поверхностей. [c.17] Эффективным методом закрепления дислокаций является введение в поверхностный слой примесных атомов. Ограничение подвижности дислокаций вблизи поверхности препятствует образованию стабильных полос скольжения и возникновению микротрещин. Имеющие высокую подвижность и небольшой атомный радиус примеси внедрения сегрегируют к дислокациям и образуют так называемые атмосферы Коттрелла [81], тормозящие перемещение дислокаций. Примеси замещения, обычно имеющие большой атомный радиус, также могут являться препятствием перемещения дислокаций. Особенно эффективным оказалось одновременное введение в стали ряда примесей замещения (Ti, Та, Nb, Y, Sn) и внедрения (С, N, В). Обработанные таким образом поверхности имеют высокую твердость и износостойкость. Предполагается, что под действием поля упругих напряжений образуются подвижные несферические комплексы атомов внедрения и замещения, активщ) взаимодействующие с дислокациями и упрочняющие матрицу [1, 163]. Такие комплексы эффективны даже при высоких температурах. В частности, высокую твердость сплава Fe—Ti—С, относительная атомная масса Ti в котором составляет 2%, легче объяснить указанным эффектом, чем дисперсионным упрочнением частицами Ti или образованием твердого раствора Ti в матрице Fe. [c.18] Эффективность закрепления дислокаций примесными атомами определяется рядом факторов, в том числе кристаллической структурой обрабатываемого материала. Чем меньше число систем легкого скольжения, тем эффективней может быть торможение. В результате материалы с объемно центрированной решеткой упрочняются сильнее, чем с гранецентрированной. [c.18] Вернуться к основной статье