2. Основные параметы качества материала поверхностного слоя деталей

Существует мнение, что на эксплуатационные свойства детали оказывают влияние точность изготовления, шероховатость рабочих поверхностей, марка материала, его структура и твердость.

В отношении микрогеометрии поверхности считалось, что для технологического обеспечения качества изделия достаточно сформировать по высоте заданную чертежом шероховатость независимо от метода ее получения. Такой подход к оценке качества и эксплуатационных свойств обработанных поверхностей является ошибочным. Практика показывает, что одинаковые по точности и высоте шероховатости детали могут иметь различные эксплуатационные свойства. Это объясняется тем, что несущую способность поверхностного слоя детали обусловливает не только шероховатость, но и физическое состояние материала поверхностного слоя.

В ходе технологического процесса происходит не только уточнение размеров, образование необходимой формы и микрорельефа поверхности детали, но и изменение свойств материала у его поверхности. Свойства материала поверхностного слоя формируются в результате упругопластических деформаций, нагрева (охлаждения), адгезионных и диффузионных процессов, химического взаимодействия с окружающей средой. В процессе обработки поверхностный слой подвергается неоднородной по глубине пластической деформации, которая может сопровождаться структурными изменениями. Как отмечалось выше физико-механические свойства поверхностного слоя, его структура значительно отличаются от свойств всего объема материала и обусловлены технологическими методами обработки детали.

Таким образом, на эксплуатационные свойства деталей наряду с геометрическими параметрами большое влияние оказывает физико-механическое состояние поверхностного слоя. В первом приближении физико-механические свойства поверхностного слоя могут характеризоваться глубиной и степенью упрочнения (эпюрами микротвердости) и величиной, знаком и характером распределения остаточных напряжений (эпюрами остаточных напряжений).

2.1. Упрочнение материала поверхностного слоя

Упрочнение материала поверхностного слоя оценивают толщиной деформированного слоя (h_н), приростом твердости HV, например, HV= HV_max-HV_o,степенью упрочнения (u_н) и градиентом (упрочнения u_гр), который характеризует интенсивность упрочнения по глубине поверхностного слоя

(14)

где НV_max, НV₀ – максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя , МПа; u_н –максимальная степень деформационного упрочнения, %; u_гр – средняя интенсивность (градиент) наклепа в слое h_н, .

Определение глубины, степени и градиента упрочнения производится путем измерения микротвердости на поверхности косых, прямых шлифов или при послойном стравливании. По результатам измерения строят эпюры микротвердости. Для измерения микротвердости используются микротвердомеры ПМТ-3, ПМТ-5 и др. На приборах этого типа в поверхность шлифа при усилии Р = 0,5...2 Н вдавливается алмазная пирамида с углом при вершине 136º. По среднеарифметическому значению диагонали отпечатка определяется его площадь (F) и микротвердость, как отношение силы вдавливания индентора к площади отпечатка, т. е HV = P/F, МПа.

Упрочнение замедляет процесс истирания рабочих поверхностей деталей. Наклеп затрудняет образование и развитие усталостных трещин. Эффективность наклепа зависит от условий работы детали, ее конструктивных особенностей (наличия концентраторов напряжений в виде канавок, галтелей и др.) и свойств материала. В деталях из менее пластичных сталей эффективность наклепа уменьшается.

Природа деформационного упрочнения состоит в следующем. Под действием упругопластической деформации происходит интенсивное образование и движение дислокаций. Дислокации - это линейные дефекты кристаллической решетки, которые самопроизвольно не могут перемещаться, но уже при небольшом напряжении от внешнего воздействия дислокации начинают двигаться. Дислокации характеризуются плотностью дислокаций, под которой понимается суммарная длина дислокаций в сантиметрах, приходящаяся на 1 см³. Движущиеся дислокации, встречаясь с препятствиями (например, с дислокациями, расположенными в другой плоскости), блокируются, т.е. происходит их закрепление. Также при пластической деформации происходит дробление зерен на фрагменты и блоки с угловой их разориентацией. У поверхности они измельчаются и вытягиваются в направлении усилия деформирования. Это является основной причиной упрочнения металлов. По-видимому, процесс дробления зерен с усилением искажений кристаллической решетки происходит до известного предела, зависящего от химического состава и физико-механических свойств материала. Как только микроискажения достигнут своего предельного значения, способность решетки к дальнейшей деформации оказывается исчерпанной. Если после этого давление от внешней нагрузки будет расти, то последующее дробление блоков приводит к разрыву межатомных связей, возникновению микротрещин и разрушению поверхности. Пластическая деформация оказывает существенное влияние на изменение физических свойств металла: повышаются твердость, предел прочности и предел текучести, а характеристики пластических свойств металла, такие как относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость, наоборот, снижаются.

При обработке закаленных сталей с мартенситно-аустенитной структурой упрочнение не является следствием только образования дислокаций. В деформированном слое наблюдается дополнительное повышение твердости, связанное с распадом остаточного аустенита, его превращением в мартенсит и с образованием в процессе деформации высокодисперсных карбидов, блокирующих сдвиги по плоскостям скольжения. Следовательно, оба вида упрочнения (дислокационный и дисперсионный) накладываются один на другой, что приводит к существенному повышению поверхностной твердости при упрочнении закаленных сталей.

Если рассматривать особенности упрочнения различных структур, получаемых в результате термической обработке сталей (рис. 14.), то можно отметить следующее. При деформации структуры сорбита практически отсутствует дисперсионное твердение и, следовательно, упрочнение происходит за счет размножения дислокаций. Ответственным за упрочнение перлитной структуры также является дислокационный механизм. Однако деформация этой структуры связана с более высоким ростом дислокаций по сравнению с предыдущим случаем.

200 160 HV
120
80
40
Ф+П П С Т М HV

0

200

400

600

800

1000

Рис. 14 Прирост твердости в зависимости от структурного состояния сталей: П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; М – мартенсит.

Структуру троостита следует рассматривать как промежуточное состояние. Она менее равновесна, чем перлит и сорбит. Поэтому при деформации троостита может наблюдаться дисперсионный распад, усиливающий эффект упрочнения, вызванный дислокационным механизмом.

Деформация мартенситной структуры сопровождается интенсивным дисперсионным твердением и превращением остаточного аустенита в мартенсит. Происходит также и увеличение плотности дислокаций. В этом случае упрочнение определяется действием всех рассматриваемых факторов.

Глубина упрочненного слоя и степень упрочнения поверхности детали зависят от метода и режима обработки, а также вида и геометрии обрабатываемого инструмента.

Необходимо отметить, что у углеродистых сталей прирост твёрдости выше, чем у легирующих в том же структурном состоянии и примерно с таким же содержанием углерода. Объясняется это тем, что остаточные искажения кристаллической решётки, возникшие в результате легирования, затрудняют дальнейшее искажение при пластическом деформировании.

Изменение режима обработки вызывает изменение интенсивности пластической деформации и, следовательно, степени наклёпа. Замечено, что с увеличением продолжительности внешнего силового воздействия на обрабатываемую поверхность растёт глубина наклёпанного слоя. Если возрастает продолжительность теплового воздействия инструмента на деталь, то в результате усиления интенсивности отдыха наклёп поверхностного слоя снимается.

Упрочнение поверхностного слоя и образование в нём остаточных напряжений представляет собой единый взаимосвязанный процесс, вызываемый одними и теми же причинами. Однако рост степени и глубины упрочнения прямо не связаны с ростом уровня остаточных напряжений и глубины их залегания.