6. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин (зависимости износа от времени, шероховатости поверхности, микротвердости, остаточных напряжений).

Рассмотренные характеристики поверхностного слоя - шероховатость поверхности, структура и наклеп слоя, остаточные напряжения оказывают существенное влияние на такие важные эксплуатационные свойства деталей машин, как износостойкость, статическую, длительную и усталостную прочность, коррозионную стойкость, прочность соединений с натягом.

Шероховатость и волнистость поверхности, структура, фазовый и химические составы поверхностного слоя по-разному влияют на эксплуатационные свойства деталей.

Влияние шероховатости поверхности

Во время начального износа, протекающего в период приработки, происходит изменение размеров и формы неровностей, а также направления обработочных рисок. При этом высота неровностей уменьшается или увеличивается до некоторого оптимального значения, различного для разных условий трения. Задачей конструктора, проектирующего новые машины, является назначение шероховатости трущихся поверхностей, соответствующей ее оптимальному значению, при котором износ и коэффициент трения при данных условиях изнашивания являются наименьшими. Шероховатость и волнистость поверхности для износа не ограничиваются влиянием высоты неровностей и размеров фактической поверхности контакта, а связаны также с шагом и формой неровностей. В период начального износа поверхностей дополнительный зазор в соединении может достигнуть значения допуска на изготовление детали и точность соединения будет полностью нарушена. Вместо требуемого чертежом соединения второго класса точности фактически возникает соединение третьего класса, вместо посадок скольжения появятся ходовые посадки и т. п. Для предотвращения этого необходимо во всех случаях ответственных сопряжений, от которых требуется длительное сохранение установленной конструктором точности, вести обработку деталей при достижении минимальной шероховатости трущихся поверхностей. Высота шероховатости, направление штрихов обработки, форма и шаг неровностей, размеры опорной поверхности и другие геометрические характеристики микрорельефа поверхности оказывают влияние и на другие важные эксплуатационные свойства деталей «машин и приборов, в частности на их контактную жесткость, коррозионную стойкость, отражательную способность, коэффициент теплопередачи, газовую эрозию. В связи с этим необходимо тщательно регламентировать в чертежах основные характеристики шероховатости, а в некоторых случаях и дополнительные характеристики, необходимость которых может быть определена исходя из конкретных особенностей эксплуатации деталей. Вместе с тем чрезвычайно важно осуществлять производственный контроль за выполнением всех требований к шероховатости ответственных поверхностей деталей, установленных чертежом.

Шероховатость поверхности - технологический концентратор напряжений, снижает прочностные характеристики металла независимо от вида напряженного состояния и температуры нагрева (рис. 3).

Рис. 3. Схема расположения концентраторов напряжений на дне впадин микропрофиля шероховатой поверхности

Влияние шероховатости поверхности на износостойкость

В 80% случаев потеря служебных характеристик машин: точности, надежности, мощности, производительности и др. происходит вследствие износа трущихся поверхностей подвижных соединений детали.

Износ протекает постоянно, начиная с момента работы соединения, но происходит неравномерно (рис. 4). Различают три периода:  1.Первичный износ (приработка) сопряженной пары характеризуется участком I;  2.Нормальный износ (эксплуатационный), протекающий пропорционально времени работы соединения (участок II)  3.Аварийный износ трущейся пары характеризуется участком III. Он наступает вследствие нарушения кинематических и гидродинамических условий работы соединения.  Рис. 4. Износ поверхностей в зависимости от времени работы сопряжения  1 - с большими значениями шероховатости;  2-c меньшими значениями шероховатости.

Из рис. 4 видно, что при меньшей исходной шероховатости (кривая 2), уменьшается величина начального износа и время приработки. Раньше начинается эксплуатационный (нормальный) износ, который протекает на участке II с такой же интенсивностью как и при большей шероховатости поверхности, сопрягаемой пары (кривая I). В итоге продолжительность сохранения допустимого эксплуатационного зазора - до аварийного износа, значительно возрастает.

Для повышения износостойкости трущихся деталей путем уменьшения первичного износа целесообразно создавать поверхности скольжения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверхностей приработанных деталей.  На первичный износ сопряженных деталей влияют форма и высота микронеровностей. Зависимость износа от высоты неровностей показана на рис. Кривая 1 получена при сравнительно легких, а кривая 2 - в тяжелых условиях износа

  Рис. 5. Зависимость износа от шероховатости поверхностей

Из рис. 5 видно, что минимальный износ получается не на самых гладких поверхностях, а при некоторых оптимальных значениях неровностей (точки О1 и О2).

На очень чистых, зеркально гладких поверхностях смазка удерживается плохо, вследствие чего возникает сухое трение, которое сопровождается схватыванием сопряженных деталей и увеличением износа.

Влияние методов обработки на формирование физико-механических свойств поверхностного слоя

При обработке лезвийным инструментом - точении, фрезеровании, строгании и т. п. в зоне обработки доминирует силовой фактор. У стальных деталей в поверхностном слое образуется пластически деформированный слой (наклеп), у которого различают три зоны: 1. Зона резко выраженной деформации - дефектный слой с измельченным зерном, значительными искажениями кристаллической решетки, деформированной структурой, наличием механических повреждений с резким повышением твердости материала. 2. Зона деформации с характерной текстурой: вытянутыми в направлении рабочего движения инструмента зернами; наволакиванием одних зерен на другие. Твердость материала в этой зоне заметно снижается по сравнению с прилегающей к поверхности. 3. Зона перехода от наклепа к исходному материалу.

При доминирующем влиянии силового фактора в поверхностном слое образуются напряжения сжатия, уровень и глубина залегания которых с увеличением глубины и степени наклепа возрастают (рис. 9). Это присуще грубым методам обработки. Рис. 9. Характерная эпюра остаточных напряжений в поверхностном слое

При получистовой и чистовой обработках с изменением режима и других условий, начинает заметно проявляться тепловой фактор и остаточные напряжения под поверхностью могут менять знак, т. е. быть растягивающими.

При черновой и чистовой обработках стальных заготовок пластическая деформация распространяется на глубину от 50 до 300 мкм; при обдирке-до 1000 мкм.