ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Г
осударственное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МАТИ»-Российский Государственный
Технологический Университет им. К.Э. Циолковского
Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов параметры физико-химического состояния поверхностного слоя
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
по курсу «Теоретические основы проектирования технологических процессов АД (РД)»
Сост. Бойцов А.Г.
Хворостухин Л.А.
Москва 2010
Включение установки без разрешения преподавателя, проводящего занятия,
ЗАПРЕЩЕНО!!!
ЗАДАНИЕ
Изучить параметры физико-химического состояния поверхностного слоя и влияющие на них факторы.
Ознакомиться с методикой определения параметров упрочненного состояния поверхностного слоя и методами определения остаточных напряжений.
Произвести измерение микротвердости по глубине слоя на косом шлифе и построить эпюру распределения микротвердости.
Произвести обработку пластины поверхностным деформированием и электроискровым легированием, выполнить измерение ее прогиба определить знак и рассчитать среднее значение остаточных напряжений.
Сделать выводы по результатам исследований
Ответить на контрольные вопросы.
ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ
В процессе эксплуатации, приповерхностные объемы материала испытывают наибольшие нагрузки, воспринимают контактное воздействие от сопряженных деталей и потоков частиц, непосредственно взаимодействуют с внешней средой, поэтому структурно-фазовое состояние, химический состав поверхностного слоя и его микрогеометрия определяют работоспособность и ресурс многих ответственных деталей.
Поверхностный слой, толщина которого находится в пределах от десятков ангстрем до десятых долей миллиметра, характеризуется иной структурой и свойствами, чем основной материал.
Это обусловлено тремя основными причинами:
особым состоянием атомов на поверхности обусловленным наличием у них свободных связей, следствием чего является свободная поверхностная энергия и большая адсорбционная активность;
1
изменениями структуры, фазового и химического состава, происходящими в результате технологического воздействия на поверхностный слой;
повторными механическими, тепловыми и физико-химическими воздействиями в процессе эксплуатации.
В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рис . 1):
Зона адсорбированных из окружающей среды молекул органических и неорганических веществ масла, воды, растворителей. Ее толщина составляет 1 ...102 нм;
Зона химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно окисная пленка) толщиной 1 ... 10 мкм;
Зона толщиной в несколько межатомных расстояний с измененной кристаллической и электронной структурой;
Зона с измененной структурой, фазовым и химическим составом толщиной 0,01 ...0,1 мм.
Сердцевина материала.
На поверхностях деталей могут присутствовать специально созданные слои и покрытия, обеспечивающие те или иные их свойства (твердость, износостойкость, жаростойкость, сопротивление коррозии и эрозии и т.д.). Строение таких поверхностей оказывается еще более сложным.
Рис. 1. Строение поверхностного слоя
Состояние поверхностного слоя характеризуют множеством параметров, которые могут быть выделены в две основные группы: неровности поверхности и параметры физико-химического состояния.
Физико-химическое состояние поверхностного слоя в основном определяется методами металлографии. При этом оцениваются параметры:
деформированного состояния
2
упрочнения поверхностного слоя;
напряженного состояния;
структуры поверхностного слоя (размеры и форма зерен и блоков, плотность дефектов кристаллического строения);
фазового состава (число, концентрация и распределение фаз, тип кристаллической структуры фаз);
химического состава (концентрация легирующих элементов в поверхностном слое).
Могут использоваться и другие параметры, например, энергетического состояния, степени очистки.
Для оценки деформированного состояния поверхностного слоя используют:
степень деформации ;
глубину деформированного слоя h;
градиент деформации по глубине слоя G..
Применительно к тонкому поверхностному слою, который образуется, например, при механической обработке, определить эти параметры весьма сложно и трудоемко. В частности, их можно рассчитать по степени деформации отдельных зерен, находящихся на различной глубине от поверхности по фотографиям шлифов с выявленной травлением микроструктурой. Для сложнолегированных, многофазных сплавов, имеющих мелкозернистую или игольчатую структуру, определить эти параметры практически невозможно.
Параметры упрочненного состояния поверхностного слоя
Оценку упрочненного состояния поверхностного слоя выполняют при контроле и оптимизации технологических режимов механической обработки и поверхностного упрочнения, используя следующие характеристики:
- степень упрочнения uн, т.е. относительное увеличение твердости поверхностного слоя в результате технологического воздействия на него.
.
Здесь H и Hс - микротвердости обработанной поверхности и сердцевины материала соответственно;
3
глубина упрочненного слоя hу;
градиент упрочнения Gу.
Для определения этих параметров используют специальные методики. Например, для определения степени и глубины упрочнения используют метод косых шлифов, когда с поверхности под определенным углом удаляют слой материала (рис. 2), затем измеряют микротвердость вдоль шлифа и строят ее зависимость от глубины снятого слоя. По этой зависимости определяютUниhу . Использование косых шлифов позволяет выполнить измерения микротвердости по глубине тонкого упрочненного слоя.
Рис. 2. К методике определения параметров упрочненного состояния поверхностного слоя
Градиент упрочнения можно определить из эпюры распределения микротвердости по глубине слоя. На рис. 3 приведены различные эпюры, которые могут иметь место в различных условиях обработки поверхностей. Градиент упрочнения Gуможет быть определен для любой точки огибающей эпюры микротвердости по касательной, проведенной в данной точке:
Для эпюры, показанной на рис 3, вградиент упрочнения у поверхности имеет отрицательное значение. Это означает, что микротвердость на поверхности ниже, чем в более глубоких слоях.
Отрицательного градиента твердости иногда специально добиваются в парах трения, чтобы избежать схватывания и «глубинного вырывания» материала из поверхности. Такое явление возникает в тех случаях, когда образующиеся при трении адгезионные связи оказываются более прочными, чем материалы сопряженных деталей.
4
Рис. 3. Различные варианты эпюр микротвердости: а – с быстро уменьшающейся от поверхности твердостью;б– с равномерной твердостью у поверхности;в– с отрицательным градиентом упрочнения у поверхности
Степень и глубина упрочнения при механической обработке неразрывно связаны с процессами, имеющими место в зоне резания и определяющими силовое воздействие на поверхностный слой. Основными факторами, влияющими на степень и глубину упрочнения, являются геометрия режущего клина (величины переднего и заднего углов, радиус режущей кромки, характер и величина износа), режим обработки (скорость резания, подача, глубина резания), трение и тепловыделение в контакте зависящие от режимов обработки, наличия и условий подвода СОТЖ, свойств режущего инструмента и обрабатываемого материала. Очевидно, и это подтверждено экспериментальными исследованиями, что степень упрочнения на обработанной резанием поверхности близка к предельной и мало зависит от режимов и условий обработки. Для жаропрочных сплавов она составляет 30…35%. Глубина деформированного слоя и градиент упрочнения зависят от размеров зоны пластической деформации и упруго-пластических свойств обрабатываемого материала.
Глубина деформированного слоя возрастает с уменьшением переднего и заднего углов, увеличением подачи и глубины резания и незначительно снижается с увеличением скорости. Последнее обусловлено уменьшением продолжительности воздействия деформирующих сил на поверхностный слой.