9.2.2. Микротвердость, микроструктура и остаточные напряжения обработанной поверхности

Наряду с шероховатостью поверхностный слой обработанной поверхности характеризуется также микротвердостью, микроструктурой и остаточными напряжениями.

Микротвердость обработанного поверхностного слоя отличается от микротвердости основного материала изделия. Это объясняется в основном тем, что при обработке деталей резанием под действием прилагаемых усилий в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, изменяющая его механические и физические свойства. Совокупность явлений, сопровождающих процесс пластической деформации поликристаллов, вызывает общее упрочнение (наклеп) деформируемого металла, характеризующегося обычно микротвердостъю

В результате упрочнения при пластической деформации повышаются все характеристики сопротивления деформации (предел текучести, предел прочности, твердость и др.), понижается пластичность (уменьшается относительное удлинение при разрыве и относительное сужение и т.д.), а также изменяются некоторые физические свойства металла.

Холодная пластическая деформация металла, вызывающая смещение атомов с положений их устойчивого равновесия, соответствующих наиболее плотному размещению атомов в кристаллической решетке, приводит к уменьшению плотности металла. Удельный вес пластически деформируемого металла снижается пропорционально увеличению степени пластической деформации. Увеличение удельного объема металла в результате его пластического деформирования и наклепа может достигать 0,3-0,8%.

Одновременно с упрочнением (наклепом) в металле поверхностного слоя происходит разупрочнение (отдых, возврат), частично возвращающий металлу его первоначальные свойства.

Скорость отдыха в значительной мере определяются температурой нагрева металла и степенью упрочнения. Очевидно, что чем сильнее упрочнен металл, т.е. чем больше он удален от состояния равновесия, тем быстрее и полнее должен протекать его отдых.

При обработке точениемнаклеп поверхностного слоя увеличивается с увеличением подачи, глубины резания, радиуса округления режущего лезвия и при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным .

Во всех указанных случаях увеличение наклепа связано с увеличением степени пластической деформации в связи с возрастанием усилий резания.

Влияние скорости резания чаще всего проявляется через изменение теплового воздействия и изменение продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя. При ее увеличении уменьшается продолжительность воздействия деформирующих сил на металл, что приводит к уменьшению глубины наклепа.

При фрезерованиианалогично точению, увеличение подачи и глубины резания повышает степень наклепа. Значительно увеличивается наклеп при износе режущего инструмента. При встречном фрезеровании наклеп оказывается больше, чем при попутном.

Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке. При шлифовании наклеп поверхностного слоя возрастает при увеличении нагрузки на абразивное зерно, вызванной увеличением глубины шлифования, скорости вращения изделия (или продольной подачи стола при плоском шлифовании), увеличением размера и радиуса округления абразивных зерен. При увеличении скорости вращения круга уменьшается нагрузка на абразивные зерна; одновременно увеличивается количество тепла, выделяющегося в зоне шлифования, снимающего наклеп и упрочнение поверхностного слоя уменьшается.

С увеличением числа ходов выхаживания, в связи с продолжительным трением абразивных зерен и обрабатываемой поверхности, вызывающим пластическую деформацию металла поверхностного слоя, его наклеп возрастает.

При возникновении вибраций шлифовального круга увеличивается фактическая глубина шлифования, возрастает нагрузка на отдельное абразивное зерно и общее усилие шлифования. Это приводит к увеличению степени пластической деформации металла во впадинах волн, и к соответствующему повышению степени его наклепа и шероховатости поверхности.

При доводкеразличными методами происходит наклеп металла поверхностного слоя, особенно значительный при доводке в режиме полирования (до 45%),при глубине распространения наклепа в пределах 15-20 мк.

Микроструктура, а следовательно и свойства приповерхностных слоев после обработки также отличается от структуры основного материала заготовки. Это особенно важно при заключительной механической обработке – шлифовании. Так в поверхностном слое закаленной или не закаленной заготовки при шлифовании при температурах, которые превышают критические точкиАс_з,происходят фазово-структурные превращения – образуютсяаустенитные структуры и при быстром охлаждении происходит закалка. Это явление назвали прижогами поверхности. Для закаленных деталей в слоях металла, которые находятся глубже распространения температур Ас₁ - Ас₃, т.е. находятся под влиянием температур отпуска, происходит превращение с образованием структур сорбита, тростита, мартенсита отпуска. Таким образом, в деталях поверхностный слой, который лежит на мягких слоях, имеет твердую мартенситную структуру и ведет к повышенному износу поверхностей трения.

Остаточные напряженияметалла поверхностного слоя возникают при окончательной обработке и сохраняются в детали в результате охлаждения. Основными причинами их возникновения являются пластические деформации и фазовые и структурные изменения.

Так, при воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемого металла в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, удельного веса, а следовательно, и увеличение удельного объема, достигающего 0,3‑0,8от удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже.

Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои, в результате чего в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях -растягивающие остаточные напряжения.

Изменение видов и режимов обработки меняет характер напряженного поля в зоне резания и удельное значение тепла в составе причин, влияющих на образование остаточных напряжений. Поэтому изменяется как величина, так и знак остаточных напряжений металла поверхностного слоя.

В большинстве случаев изменение методов обработки и режимов резания, приводящее к увеличению влияния силового поля и повышению степени пластической деформации, вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия и снижение растягивающих напряжений.

Изменение режимов резания и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее этим влияние теплового фактора (повышение скорости резания, увеличение засаливания абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого металла и режущего инструмента, увеличение длительности соприкосновения отдельных участков обрабатываемой поверхности с режущим инструментом, являющимся источником нагревания металла поверхностного слоя, ухудшение условий охлаждения и т.п.) ведет к росту остаточных напряжений растяжений, уменьшению остаточных напряжений сжатия или к превращению сжимающих остаточных напряжений в растягивающие.

Знак остаточных напряжений определяется полнотой протекания фазовых превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и температуропроводность и другие механические и физические свойства обрабатываемого металла.

При точении, фрезеровании, строгании, сверлении и других методах обработки металлов металлическими или твердосплавными инструментами в поверхностном слое металла возникают остаточные напряжения, которые формируются под влиянием тех же основных причин.

Остаточные напряжения первого рода подразделяются на напряжения сжатия и растяжения. Сущность их при механической обработке заключается в степени пластической деформации и интенсивности нагрева поверхностных слоев при резании.

Состояние поверхностного слоя оказывает большое влияние на износостойкость и усталостную прочность деталей машин. В некоторых случаях совершенно одинаковые по своей точности и шероховатости поверхности детали машин, изготовленные по одному и тому же чертежу, принятые и оцененные техническим контролем как совершенно равноценные, могут иметь резко различные эксплуатационные качества в зависимости от технологической наследственности, приобретенной деталями в процессе их изготовления.