Механические свойства материала поверхностного слоя детали
При обработке детали в поверхностных ее слоях формируется новая структура, физико-механические свойства которой отличаются от свойств основного металла.
Механическая обработка детали сопровождается пластической деформацией поверхностных слоев и частичным упрочнением (наклепом). В результате наклепа увеличиваются пределы прочности и текучести, уменьшаются показатели пластичности.
Физические свойства поверхностного слоя отличаются от свойств основного металла детали еще и вследствие того, что при взаимодействии с окружающей средой на поверхности металла образуются тончайшие пленки окислов, значительно влияющие на силу трения и механические свойства материала поверхности.
При механической обработке в поверхностных слоях деталей возникают остаточные напряжения. Они являются следствием как механических воздействий, так и термических процессов, сопровождающих обработку детали.
Увеличение температуры, сопровождающее механическую обработку деталей вызывает остаточные напряжения. При нагревании поверхностного слоя его объем увеличивается. Холодные нижележащие слои препятствуют этому, в результате внутренние напряжения, не исчезают.
Структура поверхностного слоя материала детали, формирующаяся в результате механической обработки (рис. 3.13,6), может быть представлена в виде пяти слоев:
Рис. 3.13. Схема структуры поверхностного слоя материала детали: а — изменение микротвердости Н по глубине слоя материала; б — структура материала детали
•первый — адсорбированный слой, состоящий из пленки влаги, газов и загрязнений,
ℓ1=(0,2۰10-3 ÷0,3۰10-3) мкм;
•второй — слой окисла, имеющий повышенную твердость и износостойкость,
ℓ2 = 0,002÷0,5 мкм;
•третий — слой с сильно деформированной кристаллической решеткой,
ℓ3 = 1,5÷мкм,
для этого слоя характерно наличие ориентированных в определенном порядке зерен;
•четвертый — более глубокий слой с искаженной кристаллической решеткой,
ℓ4 = 0,2÷50 мкм,
для этого слоя характерно наличие большого числа вакансий и дислокаций;
• пятый — слой металла с исходной структурой.
Контакт твердых тел. Физико-механические свойства поверхностных слоев
Качественно процесс трения характеризуется физико-химическими явлениями, а количественно - механическим эффектом (коэффициент и сила трения, износ поверхности).
Взаимодействие твердых тел при физических и механических процессах, развивающихся в зоне трения, можно правильно оценить только с учетом микро-геометрии поверхностей деталей машин.
Теория контактирования шероховатых поверхностей основывается на классических решениях контактных задач упругости и пластичности и на достижениях в области исследований качества поверхностей.
Свойства поверхностных слоев детали существенно отличаются от объемных свойств материала, из которого она изготовлена.
Силовое поле, создаваемое атомами поверхностного стоя, обладает высокой адсорбционной способностью, вследствие чего поверхность, как правило, покрыта адсорбированными слоями воздуха, воды и различных органических веществ.
Под влиянием адсорбирующихся поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит ослабление взаимодействия между атомами, расположенными на поверхности. Проникая в микротрещины, ПАВ создают давление, направленное в сторону дальнейшего развития щели в глубь твердого тела н ослабляют прочность поверхностного слоя.
На поверхности металла, как правило, имеются окисные пленки, особенно интенсивно образующиеся при повышенных температурах.
Процессы, сопровождающие трение, также в значительной мере влияют на свойства поверхностных слоев.
Вследствие внедрения контактирующих выступов при тангенциальном перемещении имеет место упругопластическое передеформирование поверхностных слоев. Толщина деформированного слоя зависит от скорости скольжения, она уменьшается с увеличением скорости.
Многократные упругие деформации поверхности приводят к возникновению усталостных явлений.
Пластическая и упругая деформации поверхностного слоя в процессе трения приводят не только к изменению его свойств, но и к образованию нового микрорельефа, типичного для данных условий трения.
Высокая температура, развивающаяся при трении, ведет к отжигу и размягчению поверхностного слоя и сглаживанию микронеровностей, к структурным изменениям материала, а также к возникновению диффузионных процессов.
Существенное влияние на свойства поверхности трения оказывает градиент температуры по глубине, приводящий к градиенту механических свойств. Изменение структуры поверхностного слоя существенно меняет его механические свойства.
Оценивать механические свойства поверхностного слоя можно по результатам измерения его микротвердости.
Обычно поверхностный слой металлов имеет большую твердость, что объясняется его наклепом. Этот наклепанный слой может быть обнаружен методами рентгеноструктурного анализа.