Структура поверхностного слоя.
При механической обработке в поверхностном слое детали возникают напряжения, остающиеся и после окончания процесса обработки. Причинами их возникновения являются градиент температуры в поверхностном слое детали, образование новых структур, пластическое деформирование материала и т.д. Напряжения в поверхностном слое, возникающие после механической обработки, могут достигать значительных величин и превышать предел прочности материала. Например, трещины в стальных деталях после шлифования возникают под действием именно таких напряжений.
В процессе обработки детали материал поверхностного слоя претерпевает структурные и фазовые изменения. Например, произвольно расположенные в исходной структуре кристаллические зерна металла после пластической деформации принимают определенную ориентацию - текстуру. Стальные детали после термообработки часто имеют градиент твердости по глубине. При холодном пластическом деформировании металлических деталей наблюдается наклеп - упрочнение поверхностного слоя, сопровождающееся необратимым изменением структуры металла.
Поверхностный слой металлической детали имеет специфическое строение
Наружный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги, компонентов смазочно-охлаждающей жидкости и др. Эту пленку можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Под ним - слой 2, состоящий из кристаллов с искаженной в результате деформацирования решеткой, обезуглероженный под действием высоких температур, возникающих при шлифовании. В нем концентрируются оксиды, а также пустоты и трещины, поэтому его структура приближается к аморфной. Слой 2 толщиной 2-8 нм называют слоем Бейльби. Слой 3 состоит из сильно деформированных зерен, содержащих цементит 4, который образовался под действием высоких температур. Далее расположен металл 5 c исходной структурой.
Анизотропия - неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях. Поверхностный слой, структура которого показана на рис. 1.5., анизотропен, т.к. прочность его неодинакова по глубине. Распределение прочности в поверхностном слое металлической детали оценивают по изменению микротвердости. Микротвердость - твердость микрообъемов металла, измеряемая сопротивлением внедрению в них алмазной пирамиды под действием небольших (0,1Н) нагрузок.
Экспериментальные методы оценки контактных характеристик
Экспериментальное определение Аr представляет значительные трудности. В технике используют чаще всего два метода.
Метод нарушения полного внутреннего отражения или метод Мехау состоит в следующем (рис. 2.2.)
Рис 2.2 Схема определения фактической площади контакта методом Мехау
Шероховатая поверхность детали 1 находится в контакте со стеклянной призмой 2. На призму падает пучок 3 света (световой поток I0), испытывающий полное внутреннее отражение на грани ab. В местах контакта выступов и призмы отражение нарушается, и световой поток ослабляется до I1. Наблюдатель видит на зеркальном фоне черные пятна фактического касания. Их фотографируют или определяют Аr по изменению светового потока с помощью фотоэлемента.
Метод угольных пленок позволяет изучать контакт непрозрачных тел. Тонкую (до 0,5 мкм) угольную пленку напыляют в вакууме на одну из приводимых в контакт поверхностей. При контактировании деталей пленка разрушается на участках касания. Для определения Аr поверхность пленки изучают с помощью микроскопа или фотографируют.
Сближение - изменение расстояния между контактирующими деталями, происходящее при смятии или внедрении микровыступов на контактных поверхностях. Сближение измеряют с помощью специальных механических приборов, снабженных измерительными преобразователями перемещения.
Измерительный преобразователь - средство измерения, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру).