книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

ботке стали с повышенным содержанием серы, фосфора (авто­ матные стали) или чугуна; при этом трещины в стружке распро­ страняются от одного неметаллического включения к другому. На­ оборот, включения, которые более прочны по сравнению с матри­ цей, являются антиконцентраторами, так как увеличивают проч­ ность металла. К ним относятся, например, зерна цементита1 в фер­ рите, твердые межкристаллитные, интерметаллидные включения, прочность которых выше прочности окружающего фона.

4.ЯВЛЕНИЯ НАКЛЕПА

Как было указано, наблюдаются два вида пластической дефор­ мации; чаще имеет место деформация, обусловленная скольже­ нием. Она не является однородной; значительное смещение при сдвиге происходит вдоль нескольких далеко отстоящих одна от другой плоскостей скольжения, в то время как промежуточные объемы почти не подвергаются деформации. При этом скольжение начинается лишь тогда, когда напряжение сдвига в соответствую­ щем направлении достигнет определенной критической величины.

При двойниковании, наоборот, незначительные смещения (ме­ нее чем на постоянную решетки) испытывает каждая из многих соседних кристаллографических плоскостей. По завершении про­ цесса деформации деформированная часть кристалла оказывается зеркальным отражением недеформированной части, что и было причиной введения термина д в о й н и к о в а н и е [40]. Оба вида пластической деформации связаны с перемещением в кри­ сталлической решетке особого типа несовершенства структуры, известного под названием дислокации. Ими обусловлены низкие экспериментальные скалывающие напряжения сравнительно с рас­ считанными теоретически.

Дислокации

На рис. 5, а показана краевая дислокация. Схематически изображен простой кубический кристалл, в котором верхний атомный слой в левой части плоскости скольжения хдвинулся на одно межатомное расстояние; в правой части плоскости сколь­ жения этого не произошло. Граница между этими двумя частями

гаемым сплошным сквозным и действительным сдвигами при наличии дислокаций.

Таким образом, дислокация представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, положение которого отме­ чается «лишней» вертикальной атомной плоскостью в верхней половине кристалла (рис. 6). Вблизи дислокации искажение структуры наибольшее. Простая краевая дислокация неогра-

10

н и ж н е й п о л о в и н е Q — р а с т я ж е н и е

Рис. 7. Движение дислокации в процессе сдвига; верхняя поверхность образца смещается, вправо

11

ничейно простирается в плоскости скольжения в направлении, нормальном траектории скольжения.

Механизм перемещения дислокации и сопутствующее скольже­ ние схематически иллюстрируются на рис. 7. Когда атомы, расположенные по одну сторону от плоскости скольжения, пере­ мещаются относительно атомов на другой стороне, то часть ато­ мов в плоскости скольжения будет отталкиваться своими соседями

этому внешняя сила, необходимая для перемещения дислокации, будет очень малой. Таким образом, наличие дислокаций делает кристалл очень пластичным. Перемещение через кристаллы крае­ вой дислокации можно уподобить перемещению складки по ковру;

Произвольную дислокацию можно считать состоящей из отрез­ ков, имеющих краевую и винтовую компоненты. Следовательно, скольжение тончайших слоев металла при пластической дефор­ мации происходит не вдоль всей кристаллической плоскости, а заключается в ряде последовательных смещений отдельных участков решетки, облегчаемых наличием изъянов в строении, т. е. смещением атомов и свободными местами (дислокационная теория деформации).

При каждом смещении (сдвиге) искажаются кристаллогра­ фические плоскости решетки и образуется большое количество обломков, способствующих восстановлению сцепления и тем самым прекращению сдвига на соответствующем участке. Даль­ нейшее повышение нагрузки вызывает скольжение в следующей плоскости и как следствие — такое же упрочнение и т. д. В ре­ зультате возрастает сопротивление деформации со стороны ме­ талла, т. е. уменьшается способность его к дальнейшей пласти­ ческой деформации. Это явление называется упрочнением или наклепом. Подобный наклеп вызывается лишь холодной дефор­ мацией; при высокой температуре (выше температуры рекристал­ лизации) он невозможен.

12

Вследствие механического или физического воздействия на твердое тело атомы его отклоняются от мест устойчивого равно­ весия, что вызывает в теле напряженное состояние, заключаю­ щееся в стремлении атомов вернуться в их исходное положение. Под влиянием этих внутренних сил появляются остаточные напря­ жения; их характер зависит от расстояния между атомами. С уве­ личением последнего выше нормального возникают напряжения растяжения и, наоборот, напряжения сжатия с уменьшением этого расстояния. Нагрев обрабатываемой детали по понятным причинам вызывает напряжения растяжения.

Склонность материала к упрочнению тем больше, чем меньше отношение предела текучести к временному сопротивлению. В процессе резания остаточные напряжения могут достичь боль­ ших значений: например, при обработке низколегированной стали о = 49 кгс/мм2 , высокопрочной а = 126 кгс/мм2 , жаропроч­ ной а = 140 кгс/мм2 .

Величина, а также характер поверхностных напряжений обра­ ботанных деталей зависит от многих факторов: рода обрабатывае­ мого материала, размера поперечного сечения среза, скорости резания, геометрии режущего инструмента (особенно переднего угла у), степени его затупления, смазочно-охлаждающих средств (СОС) и др. Например, глубина наклепа уменьшается с увеличе­ нием скорости резания. Так, рентгенографически было установ­

так как с увеличением скорости резания уменьшается длитель­

струмента, например фрезы, когда помимо динамического воздей­ ствия имеет место многократное перекрытие последовательных зон деформации. Здесь наблюдались поверхностные напряжения сжатия, уменьшавшиеся с увеличением подачи [120]. Отмечаются значительные технические трудности при изучении свойств мате­ риалов в случае весьма больших скоростей деформирования, имеющих место при современных форсированных режимах реза­ ния с повышенной температурой. В этом случае на поверхностях контакта режущего инструмента со стружкой и поверхностью резания происходит термически активируемое адгезионное взаи­

13

скорее, чем ниже температура плавления материала Т п л (примерно

2)с действием температуры — температурным полиморфизмом (способностью тел встречаться в различных кристаллических формах);

3)со структурными изменениями (с фазовыми превращениями), сопровождаемыми изменчивостью физико-механических свойств.

Под влиянием температуры возникают растягивающие поверх­ ностные напряжения. В большинстве случаев наведение остаточ­ ных напряжений вызвано действием силового поля и можно пола­ гать, что характер остаточного напряженного состояния в поверх­ ностном слое изделий, обработанных резанием, связан с направ­ лением сил резания.

В зависимости от интенсивности и знака поверхностных напря­ жений обработанной детали изменяется ее прочность; она умень­ шается (особенно при циклической нагрузке) при наличии растя­

и гладком уплотненном поверхностном слое, хотя и увеличивается хрупкость, но повышается циклическая прочность детали. По­ этому нередко прибегают к искусственному наклепу, уплот­ няющему поверхность изделия с помощью обкатки, обдувки дробью и пр.

В последнее время предлагается новый метод получения напряжений сжатия на поверхности детали прогревом поверхност­ ного слоя до температур, при которых возникают термопласти­ ческие деформации; в то же время поверхностный и более глубо­ кие слои удерживаются при сравнительно невысоких температу­ рах. Это можно получить при одновременном нагреве поверх­ ности детали токами высокой частоты и интенсивном охлаждении жидкой или газообразной средами. Тогда на поверхности форми­ руются напряжения сжатия, проникающие вглубь на 200 мкм и более. Равновесные растягивающие напряжения в более глубоких слоях по своей величине значительно ниже и их область залега­ ния зависит от частоты тока. Изменяя частоту тока и интенсив­ ность охлаждения, можно менять эпюру остаточных напряжений в широких пределах.

Для улучшения качества поверхности путем уменьшения остаточных напряжений рекомендуется и такой прием: при чи-

14

стовой обработке после грубой изменяется направление скорости резания и подачи на обратные. Ориентированные при обдирке зерна возвращаются в исходное положение; обильное охлажде­ ние устраняет температурные напряжения.

Надо отметить еще одно важное обстоятельство. При обра­ ботке металлов параллельно происходят их упрочнение и «отдых» (разупрочнение в зоне резания). С увеличением скорости резания повышается предел текучести и металл приближается к абсолютно упругому состоянию (атермическкй процесс). Но при этом повы­ шается температура резания и возрастает скорость отдыха (тер­ мический процесс). При некоторых условиях, например при тем­ пературе рекристаллизации (она приблизительно равна 0,4 темпе­ ратуры плавления металла) и выше, скорость отдыха настолько велика, что упрочнение, получающееся вследствие пластической деформации, может значительно снизиться и даже полностью исчезнуть. Но при весьма больших скоростях деформации процесс упрочнения может происходить быстрее процесса рекристал­ лизации, благодаря чему сопротивление деформации увеличи­ вается.

Естественно, что при интенсивном охлаждении значительно усиливаются остаточные напряжения, поскольку при этом устра­ няется «отдых». Знак остаточных напряжений будет з-ависеть от характера силового поля.

Металлы, кристаллы которых имеют сравнительно много пло­ скостей скольжения и потому обладают очень большой пластич­ ностью (свинец, медь), не удавалось перевести в хрупкое состоя­ ние даже при весьма высоких скоростях деформации. Например, свинцовая пуля при ударе о броню со скоростью v = 800. м/с не дробится как хрупкое тело, а расплющивается, сохраняя пластичность. Можно полагать, что для перевода в хрупкое состоя­ ние подобных металлов требуется еще более высокая скорость деформирования.

о процессе разрушения металла в связи с температурой и скоростью пластической деформации, имеющие большое теоретическое и при­ кладное значение в области металлорезания и особенно при ско­ ростной обработке. Однако механизм разрушения очень сложен;

15

строение, энергия дефекта упаковки, уровень и направленность межатомных связей и др.), изменяющиеся в процессе пластичес­ кой деформации металлов разного химического состава при различных условиях. Все это важно для понимания процессов хрупкого разрушения, играющих большую роль при пласти­ ческой деформации и резании металлов.

'определяющих прочность изучаемого объекта. Основное явление, характеризующее природу разрушения, — образование и разви­

Появление микротрещин связывается с механизмами развития дислокаций, заторможенного сдвига, вскрытия или пересечения полос скольжения, взаимодействия двойников, структурными изменениями под влиянием силового . и температурного полей в процессе пластической деформации и пр.

Нельзя согласиться с утверждением возможности разрушения лишь после завершения пластической деформации при полном использовании ресурса пластичности. Основным оказывается механизм образования микротрещин в карбидных частицах, действующих в ферритной матрице как мощный концентратор напряжений, способный создавать зародыши разрушения уже при 1% деформации. Более 90% общего числа микротрещин связано с этим явлением [85].

Представление о микротрещине как источнике последующего разрушения было развито советским ученым П. А. Ребиндером, показавшим клиновидную форму трещины с устьем, сходящим до межатомного расстояния. Такое представление помогает объяс­ нить ряд интересных явлений, происходящих в процессе резания металлов. Например, при резании в условиях большой локальной жесткости (при протягивании) удавалось снимать тончайший слой металла режущей кромкой, радиус закругления которой р многократно превосходил по величине толщину среза а. Очевидно, пластически выдавливаемый металл, заполняя опережающую тре­

чалась, поскольку скорость распространения трещины намного превосходила скорость резания (движения зуба протяжки).

Скорость зарождения и развития микротрещин в пластически деформируемом металле представляет самостоятельный интерес с теоретической и технологической точек зрения. В. окрестности фронта трещины образуется малая область предразрушсния, окруженная пластической зоной, величина которой определяет собой характер разрушения (хрупкий, вязкий) и затрачиваемую

16

энергию. Последняя в основном дисснпируется в пластической

задержкой, после которой следует разгон макротрещины с очень

связано с формированием поля напряжений в окрестностях заро­ дившейся трещины и зависит от размеров образцов, скорости упругих волн в материалах, роста приложенных напряжений, температуры и др.

Степень нарастания скорости распространения трещины опре­ деляется видом напряженного состояния; она мала для вязких и высока для хрупких материалов. В закаленных сталях трещина стартует сразу с высокой скоростью; время разгона—порядка микросекунд. Вероятно это вызвано тем, что закаленная сталь

смартенситной структурой пронизана большим количеством

микротрещин эндогенного характера как в самом мартенсите, так и на границах его раздела с другими фазами. Этим можно объяснить парадоксально повышенную стойкость хрупкого инстру­

Ряд исследователей рекомендуют наибольшую скорость тре­ щины рассчитывать в зависимости от модуля Юнга Е и плотности р по формуле

(1)

( С ^ 0,4-г-О.б).

Практически наибольшая скорость развития трещины опре­ деляется не только модулем упругости и плотностью, но и прило­ женной нагрузкой, режимом иагружеиия и температурой. Во всяком случае она является частью скорости продольных и попе-, речных волн, а следовательно, предельные значения скоростей могут быть достигнуты в любом вязком материале. В табл. 1 показаны предельные зарегистрированные скорости трещин по данным различных исследователей.

Как видно из таблицы, показатели роста трещин в хрупком стекле и пластичной стали имеют близкие значения. Этому не приходится удивляться, поскольку предельные скорости разруше­ ния определяются упругими параметрами [уравнение ( ] ) ] . Пла­ стическая деформация вызывает дислокационные эффекты, способ­ ные создать микротрещины, но она не служит их развитию. При определенных условиях катастрофический рост трещины проис­ ходит вследствие прямого разрыва связей в устье трещины, где напряжения по величине близки к теоретической прочности.

17

Таблица 1

Предельные зарегистрированные скорости трещин [87]

Физики-исследователи считают, что стремительное движение трещин питается упругой -энергией среды и может возрасти до максимального потока в 2900—3000 м/с при импульсном режиме. Подобный режим создается при резании металлов, где перед кромкой режущего инструмента возникает концентрация дисло­ каций и в результате развивается опережающая трещина, быстро возрастающая под влиянием распирающих сил. Эффект значи­ тельно усиливается при оптимальной геометрии режущего клина и большой скорости его движения. И наоборот, под влиянием поперечной сжимающей нагрузки, действующей на пути движения трещины, развитие последней может приостановиться. Аналогич­ ные результаты получаются и при релаксации напряжений непо­ средственно в процессе деформации, т. е. рассеяния концентрации напряжений у фронта трещины.

В связи с указанным возникает вопрос о закономерности терминов вязкое и хрупкое разрушение. По-видимому, подобная альтернативная постановка уместна лишь в теоретическом плане. Практически трудно определить совокупность признаков, одноз­ начно определяющих вязкий или хрупкий характер разрушения и, следовательно, невозможно наметить жесткую границу между двумя процессами. Фактор хрупкости — трещина не является изолированной системой. Ее автокаталитический стремительный

18

рост определяется запасом упругой энергии объекта и нагружаю­ щего устройства, а также скоростью подвода этой энергии к тре­ щине. Все это с лихвой может перекрыть затраты на пластиче­ скую деформацию при зарождении трещины и тогда разрушение может быть охарактеризовано как сугубо хрупкое.

В более редких случаях, когда разрушение объекта происхо­ дит после сильной пластической деформации в результате исчер­ пания ресурсов пластичности, это разрушение можно условно считать вязким. Поэтому надо полагать, что в системах с малым запасом упругой энергии разрушение приближается к вязкому и, наоборот, — к хрупкому. Следовательно, термин х р у п к о с т ь м е т а л л о в имеет более технологический, чем физический смысл.

Многочисленные исследования [87 ] показывают, что микро­ трещины могут возникать на самых ранних стадиях пластической деформации, особенно в поликристаллических материалах, где возможны узколокальные силовые и температурные перегрузки, а также соответствующие градиенты. С этим, в частности, необ­ ходимо считаться при проектировании режущего инструмента, когда возникают сложные проблемы, связанные с сосуществова­ нием двух процессов — образования микротрещин и их развития. Необходимо при этом учитывать также устойчивость системы с боль­ шим количеством трещин, когда рост отдельных трещин проис­ ходит за счет объединения многих других. Атомный масштаб микротрещин значительно затрудняет и даже исключает прило­ жение обычной теории упругости. Эту область изучения считают, одной из основных проблем современной физики прочности, охватывающей ряд теоретических и прикладных наук и, в част­ ности, науку о резании, где процесс разрушения играет большую роль.

До настоящего времени не уделялось должного внимания весьма важным явлениям разрушения, сопровождающим процесс резания и характеризующимся образованием трещин, в частно­ сти опережающих трещин, значительно влияющих на нагрузку, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности. Некоторые исследователи отрицают существование опережающих трещин, поскольку визуально они часто не наблюдаются. Послед­ нее можно объяснить тем, что при мгновенном прерывании процесса резания методом падающих резцов могло произойти «зале­ чивание» трещин упругим последействием на поверхностях реза­ ния, учитывая существующие напряжения сжатия в зоне реза­ ния. Правда, специальным подсвечиванием находят эти трещины там, где обычные визуальные методы их не обнаруживали [183].

Основным законом роста хрупкой трещины является так называемый закон нормальных напряжений, согласно которому

*пробегающая трещина направляется перпендикулярно к действую­ щему в ее вершине результирующему, максимальному растягиваю­ щему напряжению. При переменных в пространстве и времени

19