Строение поверхностного слоя

Структурные и фазовые превращения

Пластические деформации вызывают изменения микроструктуры. Беспорядочно расположенные в структуре металла кристаллические зерна под влиянием пластической деформации приобретают однородную ориентацию. Более глубокие изменения возможны при обработке металлов, подверженных закалке. Высокий поверхностный нагрев и быстрое охлаждение обуславливают структурные и фазовые превращения. Например, в процессе шлифования закаленной и отпущенной стали образуется поверхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вторичного закаленного металла. Слой с измененной структурой при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную структуру. Аналогичные превращения наблюдаются и при точении.

Местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя шлифуемой детали называются шлифовочными прижогами. Причина их образования интенсивное тепловыделение на небольшом участке поверхностного слоя. Также прижоги могут возникать из-за вибрации шлифовального круга, неправильной установки детали на центрах и т.п. В области прижогов образуются остаточные напряжения. Прижоги концентрируя напряжения, снижают сопротивление усталости и износостойкость. Фазовые и структурные превращения при обработке инструментом возможны только для металлов с метастабильной структурой.

При холодной пластической деформации металла повышаются его твердость и предел прочности. Это явление получило название упрочнение металла и наклеп.

Качество поверхности деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Рассматривая строение поверхностного слоя, следует иметь ввиду, что оно резко отличается от основного материала, так как несет на себе следы технологического процесса обработки, в результате которого, как правило, образуется дефектный слой с искаженной структурой. При эксплуатации изделия постоянно идет процесс изменения свойств поверхности из-за силовых, температурных, окислительных и других воздействий.

Так, при обработке металлов резанием возникновение в поверхностном слое новых образований происходит в результате действия двух противоположных процессов – упрочнения (наклепа) в результате воздействия на поверхность усилий резания и разупрочнения (снятия наклепа) в результате влияния температуры резания. В разных условиях превалирует влияние то одного, то другого фактора.

При наклепе происходит изменение свойств металла, повышается сопротивление деформации и твердость, понижается пластичность. Степень наклепа, а также толщина наклепанного слоя зависят от режима резания.

Глубину наклепанного слоя можно определить по изменению микротвердости, которая в поверхностных слоях всегда выше. О степени наклепа можно судить по отношению твердости поверхностных слоев и исходного материала H _max/ Н _o (рис. 2.4, а).

Рис. 2.4. Структура поверхностного слоя:

а – изменение твердости по глубине слоя;

б – структура поверхностного слоя; в – изменение температуры по глубине при резании и трении

Изменения в поверхностном слое происходят не только вследствие процессов упрочнения и разупрочнения, но и из-за структурных превращений и окислительных процессов, которые могут происходить в зоне температурных влияний по глубине h (рис. 2.4, в).

Важным фактором, влияющим на структуру поверхностного слоя, являются окислительные процессы, которые быстро развиваются в новых поверхностях, появившихся в процессе обработки. У большинства металлов на поверхностях образуются тонкие окисные пленки. Так как пленка находится в напряженном состоянии, то при ее росте возможны разрывы пленки, и она приобретает пористое строение. При трении поверхностей деталей машин тонкие слои подвергаются в зоне контакта многократным воздействиям нормальных и тангенциальных напряжении, в сочетании с температурными влияниями и действием среды приобретают рельеф, характерный для данных условии эксплуатации. Поэтому следует различать принципиально неодинаковые виды рельефа поверхности – технологический и эксплуатационный.

Поверхностный слой неоднороден по строению. В общем виде строение поверхностного слоя сплава состоит из следующих характерных участков (рис. 2.4).

Граничный слой 1 (слой повышенной твердости) состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме.

Слой 2 – деформированный (наклепанный), сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками. В этом слое находятся окислы и нитриды, пустоты, а также надрывы и трещины.

Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления (шлифовального круга) и тангенциальных сил при шлифовании. Слой содержит структурно-свободный цементит, образовавшийся под действием высоких температур. Имеет увеличенное число дислокаций и вакансии.

Слой 4 – металл с исходной структурой.

При более тонкой обработке (абразивными брусками, лентами и т.д.) слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются в соответствии с меньшими давлением и температурой поверхности при обработке.

Наклеп металла под выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами. Поверхностный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет толщину при точении 0,25…2,0 мм, при шлифовании 12…75 мкм, при тонком шлифовании 2…25 мкм, при полировании 2 мкм.

Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут достигать глубины 5 мм.

Поверхностный слой может находиться в напряженном состоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке могут достигать 560…1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими (рис. 2.3).

Система дефектов – слабых мест поверхности детали – является основной, на которой, начиная с самых малых деформаций, развиваются микротрещины. Вследствие наличия дефектов на поверхности естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах, т.е. процесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере изнашивания поверхности слабые места будут возникать вновь.

Стремление получить поверхностный слой с наилучшими эксплуатационными характеристиками, привело к применению различных технологических процессов финишной обработки, таких как шлифование, суперфиниширование, полирование, абразивная доводка и др. При этом на строение поверхностного слоя и его геометрические и физические параметры оказывает влияние не только вид технологического процесса окончательной обработки, но и режимы обработки, обусловливающие сложные процессы формирования данного рельефа.

Дата добавления: 2014-12-26