9 Строение поверхностного слоя металла. Влияние механической обработки на состояние поверхностного слоя заготовки

Рассматривая строение поверхностного слоя металла, следует иметь в виду, что оно резко отличается от основного материала, так как несет на себе следы технологического процесса обработки, в результате которого, как правило, образуется дефектный слой с искаженной структурой. Кроме того, при эксплуатации изделия постоянно идет процесс изменения свойств поверхности из-за силовых, температурных, окислительных и других воздействий.

Так, при обработке металлов резанием возникновение в поверхностном слое новых образований происходит в результате действия двух противоположных процессов – упрочнения (наклепа) в результате воздействия на поверхность усилий резания и разупрочнения (снятия наклепа) в результате влияния температуры резания. В разных условиях превалирует влияние то одного, то другого фактора.

Общим для контактирующих деталей является строение поверхностных слоев (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема строения поверхностного слоя металла

Зона 1 – адсорбированная пленка газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которая удаляется нагревом детали в вакууме.

Зона 2 – деформированный, сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся оксиды и нитриды, пустоты и надрывы, а также трещины.

Зона 3 – зерна, сильно деформированные под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в зоне содержатся структуры свободного цементита, образовавшегося под действием высоких температур.

Зона 4 – металл с исходной структурой.

В процессе механической обработки от действия режущего инструмента на поверхности металла остаются гребешки и впадины и структура поверхностною слоя изменяется, поверхностный слой испытывает пластические деформации, и образуется наклеп, твердость его повышается, возникают внутренние напряжения.Степень наклепа металла и глубина проникновения пластических деформаций зависят от метода обработки и режима резания (подачи, глубины и скорости резания). При повышении подачи и глубины резания толщина наклепанного слоя увеличивается, при повышении скорости резания, напротив, уменьшается. При легком режиме резания толщина наклепанного слоя выражается в сотых долях миллиметра, а при более тяжелых (при большой подаче и глубине резания) – в десятых долях миллиметра.

Поверхность детали – наружный слой, который по строению и другим свойствам отличается от внутренней части. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием «качество поверхности».

Качество поверхности характеризуется геометрией (макро-, микрогеометрией (шероховатостью) и волнистостью); физико-механическими и физико-химическими свойствами. Указанные характеристики качества поверхности влияют на такие служебные свойства деталей, как сопротивление усталости, износо-, коррозие- и эрозиостойкость, и связан со свойствами сопряжения, прочности посадок с натягом, плотности подвижных и неподвижных соединений.

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяются твердостью; структурными и фазовыми превращениями; величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений; деформацией кристаллической решетки. Эти свойства в основном определяются упруго-пластическим деформированием и местным нагревом зоны обработки.

Физико-химические свойства поверхности характеризуются наличием на металлической поверхности различных пленок, прочно связанных с основным металлом. Формирование физико- химических свойств поверхностного слоя, в частности адсорбционной и оксидной пленок, вызвано физическим и химическим взаимодействием обрабатываемого металла в зоне резания с окружающей средой.