ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Физическое состояние из "Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов " Механизм образования поверхностного слоя в процессе механической обработки. Физическое состояние (структура, свойства) и напряженность поверхностного слоя детали в основном являются следствием упруго-пластической деформации и местного нагрева, возникающих в зоне резания. [c.48] Поскольку в зоне резания режущая кромка резца не является геометрической линией, а из-за скругления вершины представляет некоторую поверхность, то металл вновь возникающей поверхности у самой режущей кромки подвергается воздействию нормальной сжимающей силы и силы трения, действующей в направлении линии среза. Нормальная сила будет вызывать деформацию сжатия, а сила трения — деформацию растяжения поверхностного слоя, прилегающего к задней грани резца. [c.49] возникающее в процессе пластической деформации и внешнего трения рабочих поверхностей режущего инструмента об обрабатываемый материал, оказывает огромное влияние на физическое состояние поверхностного слоя. Тепло, повышая пластичность металла, с одной стороны, способствует более глубокому упрочнению, с другой — ускоряет протекание процессов разупрочнения. Следовательно, характер изменения глубины и степени упрочнения металла в процессе деформации поверхностного слоя зависит от количественного соотношения протекающих процессов упрочнения и разупрочнения. [c.49] Важным источником упрочнения поверхностного слоя могут служить фазовые превращения, ведущие к закалке металла. [c.49] При механической обработке деформация металла поверхностного слоя по глубине носит затухающий характер с неравномерным падением интенсивности упрочнения. [c.49] Структура и свойства поверхностного слоя. В поверхностном слое деталей машин следует различать его наружную поверхность, которая соприкасается с внешней средой, поверхностный слой и его верхнюю часть — граничный слой. Специфичность химических, физических и энергетических условий на внешней поверхности резко выделяет эту часть поверхностного слоя, названного граничным слоем. [c.49] Поверхность твердого тела, по сравнению с его внутренним строением, имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный внутри твердого тела с идеальной кристаллической решеткой, находится в состоянии подвижного устойчивого равновесия, поскольку для него по всем направлениям интенсивность силового поля одинакова. В ином положении оказываются атомы, которые находятся у поверхности они имеют только односторонние связи, — в тело металла, поэтому их состояние неуравновешенное, неустойчивое они более активны, обладают избыточной энергией (свободной) по сравнению с атомами, находящимися в объеме. [c.49] Искажение кристаллической решетки и структура поверхностного слоя. Физическое состояние поверхностного слоя деталей после механической обработки обусловливается главным образом пластической деформацией металла поверхностного слоя и явлениями диффузии адсорбированных атомов из окружающей среды. [c.50] Пластическая деформация поверхностного слоя сопровождается увеличением числа дефектов и искажением кристаллической решетки, изменением субструктуры и микроструктуры металла поверхностного слоя. В металле поверхностного слоя резко возрастает количество дислокаций, вакансий и других несовершенств кристаллической решетки, повышая его напряженность. Взаимодействие полей напряжений дислокаций между собой и с другими дефектами решетки затрудняет движение дислокаций, сопротивление пластической деформации возрастает, металл упрочняется (наклеп, деформационное или механическое упрочнение). Число дефектов в кристаллической решетке поверхностного слоя зависит от степени пластической деформации. Степень деформации, а следовательно, и число дефектов в решетке по глубине поверхностного слоя переменные, они уменьшаются с его глубиной. [c.50] В процессе пластической деформации в металле поверхностного слоя происходит дробление зерен на фрагменты и блоки с угловой разориентировкой их (образование субструктуры). Микроструктура поверхностного слоя образуется измельчением и дроблением зерен с ориентацией их в направлении усилия деформирования. [c.50] Упруго-пластическая деформация поверхностного слоя в процессе механической обработки вызывает изменение структурночувствительных физико-механических и химических свойств в металле поверхностного слоя по сравнению с исходным его состоянием. В деформированном поверхностном слое возрастают все характеристики сопротивления деформированию пределы упругости, текучести, прочности, усталости. Изменяются характеристики прочности при длительном статическом и циклическом нагружении в условиях высоких температур. Снижаются характеристики пластичности относительное удлинение и сужение, повышается хрупкость (уменьшается ударная вязкость), твердость, внутреннее трение, уменьшается плотность. Металл в результате пластической деформации упрочняется. [c.50] В условиях эксплуатации, особенно при высокой температуре и в агрессивной среде, в деформированном металле усиливается коррозия, химическое растравливание, диффузионная подвижность атомов. Последняя вызывает релаксацию и обедняет легирующими элементами металл поверхностного слоя. [c.51] Физико-химическое воздействие внешней среды на механические свойства поверхностного слоя металлов и сплавов. Поверхность металла обладает повышенной химической активностью и в реальных условиях неизбежно адсорбирует атомы элементов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров. Слой жира достигает нескольких сот микрон, пленка водяных паров составляет 50—100 слоев молекул. Жировые пленки прочно связаны с поверхностью металла и не удаляются обычными механическими и химическими средствами. После промывки деталей керосином и бензином на поверхности остается слой жиров в 1—5 мкм. Очень тщательной очисткой можно довести толщину слоя жиров до 0,1—0,001 мкм (примерно 100— 10 рядов молекул). Воздействие внешней среды приводит к образованию на поверхности металла различных соединений, прежде всего различных окислов. Они быстро возникают в результате влияния атмосферного кислорода. Толщина наружной пленки в окисляющихся металлах равна примерно 20—100 А (10—20 слоев молекул). Например, окисная пленка в стали равна 10— 20 А, а алюминии — 100—150 А. [c.51] В результате диффузии в поверхностном слое могут возникнуть химические и иные соединения основного материала с проникающими извне веществами. Диффузионная подвижность атомов может привести к перераспределению концентрации легирующих элементов, способствуя этим в отдельных случаях обеднению поверхностного слоя некоторыми легирующими элементами (обезуглероживание поверхностных слоев в сталях и обеднение поверхностного слоя хрома и алюминия в жаропрочных никелевых сплавах при высоких температурах и др.). [c.51] Исследованиями академика П. А. Ребиндера и его учеников установлено значительное влияние на прочность металлов расклинивающего действия адсорбированных пленок жидкостей в поверхностных трещинах металлов (эффект Ребиндера). Молекулы некоторых адсорбированных на поверхности веществ обладают высокой активностью. Распространяясь по поверхности, они попадают в микротрещины, в глубине которых производят сильное расклинивающее действие, равноценное действию дополнительно приложенного к телу растягивающего усилия. Следствием такого дополнительного воздействия на металл является снижение его прочности, облегчение деформации. Чем щель уже, тем сильнее расклинивающее действие адсорбированных пленок (ширина щели не более 0,1 мкм). [c.52] Адсорбционные эффекты в процессах деформации и разрушения металлов могут быть особенно велики. Применение активных смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке резанием облегчает пластическую деформацию и способствует улучшению качества обработанной поверхности (снижение шероховатости и поверхностного наклепа). [c.52] Эффект адсорбционного понижения прочности особенно заметно проявляется в условиях действия знакопеременных нагрузок. При циклическом нагружении происходит расклинивание поверхностных микрощелей. При этом адсорбированные слои выдавливаются из микрощелей, но не полностью оставшееся адсорбирующее вещество мешает полному смыканию микротрещины. Последовательное раскрытие и смыкание приводит к росту трещин и к разрыхлению поверхностного слоя. Сопротивление усталости металла в поверхностно-активных средах резко снижается (адсорбционная усталость). [c.52] Адсорбция, как правило, уменьшается с повышением температуры. Это объясняется тем, что тепловые колебания атомов могут привести к десорбции адсорбированной молекулы вероятность такого отрыва растет с увеличением температуры. [c.52] Адсорбция возможна не только на поверхности металла, но и внутри его, когда примеси, растворенные в твердом теле, адсорбируются на внутренних поверхностях, это чаще всего происходит по границам зерен или каких-либо дефектов структуры. Внутренняя адсорбция может также играть важную роль в процессах адсорбционного понижения прочности металлов. [c.52] Параметры для оценки физического состояния поверхностного слоя. Для оценки физического состояния поверхностного слоя детали после механической обработки рекомендуются следующие параметры. [c.53] Вернуться к основной статье