Физические основы деформационного упрочнения металлов
Полетаев В.А.

Поверхностный слой детали - это слой, у которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного материала, из которого сделана деталь.

Рис.1. Схема поверхностного слоя детали.

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рис.1.1):

1. зона адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ. Толщина слоя 1...0,001 мкм.

2. зона продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой ( обычно оксидов). Толщина слоя 10...1 мкм.

3. граничная зона толщиной несколько межатомных расстояний, имеющая иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру.

4. зона с измененными по сравнению с основным металлом 5 структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации.

Толщина и состояние указанных слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического и механического анализа. Многообразие параметров состояния поверхностного слоя и методов их оценки не позволяет выделить единственный параметр, определяющий качество поверхностного слоя. Поэтому в научной и инженерной практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных, с той или иной стороны оценивающих качество поверхностного слоя.

Укрупнено эти параметры характеризуют:

• геометрические параметры неровностей поверхности;

• физическое состояние;

• химический состав;

• механическое состояние.

Геометрические параметры неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов, волнистости.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей с относительно малыми шагами. Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50.

Волнистость поверхности - это совокупность неровностей, имеющих шаг больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости. Отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000.

Волнистость в России не стандартизирована, то для ее оценки используют параметры шероховатости.

Регулярные микрорельефы – это неровности, которые в отличие от шероховатости и волнистости, одинаковы по форме, размерам и взаиморасположению.

Регулярный микрорельеф получают обработкой резанием или поверхностным пластическим деформированием роликами, шариками, алмазами.

Физическое состояние поверхностного слоя деталей в технологии упрочнения наиболее часто характеризует параметрами структуры и фазового состава.

Структура - это характеристика металла, зависящая от методов изучения его строения. Выделяют следующие типы структур:

• кристаллическая структура;

• субструктура;

• микроструктура;

• макроструктура.

Металлы представляют собой кристаллы с трехмерной периодичностью. Основой кристаллической структуры является трехмерная решетка, в пространстве которой располагаются атомы. В зависимости от характера расположения атомов в кристаллической решетке структуры чистых металлов разделяются на ряд типов ( рис.1.2).

В реальном металле кристаллическая структура множество дефектов, которые в значительной от степени определяют его свойства. Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называется субструктурой. Здесь кристаллы могут образовывать более крупные фрагменты – кристаллиты, блоки, зерна, фрагменты, полигоны.

Размер субмикрозерна: 10^-4...10^-5см

а- простая кубическая; б- объемно центрированная кубическая; в- гранецентрированная кубическая; г- гексагонально-плотноупакованная.

Рис.2. Типы кристаллической структуры:

Микроструктура - это структура, определяемая с помощью металлографических микроскопов. Этот анализ позволяет определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава.

Размер субзерна: 10^-3...10^-4см.

Макроструктура - это структура, которая определяется невооруженным глазом или при небольших увеличениях. С помощью макроанализа можно определить трещины, неметаллические включения, примеси и др.

Размер зерна: 10^-1...10^-2см.

Физическое состояние характеризуется числом и концентрацией фаз, распределением фаз по поверхностному слою, объемом сплава и др.

Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими.

Химический состав характеризуется элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, в объеме сплава и др.

Исследования химического состава поверхностного слоя позволяют оценить адсорбцию из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ, диффузионные процессы, процессы окисления и другие, происходящие при обработке металлов.

Механическое состояние металла определяется параметрами:

• сопротивления деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

• пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов.

Например в процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются. Это явление называют деформационным упрочнением.

В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость определяют на поверхности металла и внутри металла (при помощи послойного травления). В результате устанавливают толщину упрочненного слоя h_H и степень деформационного упрочнения :

,

где: Н_обр и Н_иск - соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.

Глубина упрочненного слоя определяется следующим образом (рис. 1.3):

Рис.3. Эпюра распределения твердости в поверхностном слое после упрочнения.

Важной характеристикой состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения.

Остаточные напряжения - это упругие напряжения, которые остались в детали после обработки. В зависимости от объема тела, в которых рассчитывают остаточные напряжения, они условно подразделяются на:

• остаточные напряжения первого рода, уравновешенные в макрообъемах тела;

• остаточные напряжения второго рода, уравновешенные в пределах размера зерен;

• остаточные напряжения третьего рода, уравновешенные в пределах нескольких межатомных расстояний.

В зависимости от характера и интенсивности физико- механических процессов, происходящих при обработке, остаточные напряжении могут иметь различный знак: + или - .

+ - растягивание;

- - сжимание.

Условие равновесия требует, чтобы в объеме детали сумма проекций всех сил была равна нулю. Поэтому в детали есть область со сжимающими и растягивающими остаточными напряжениями.

В инженерной практике остаточные напряжения первого рода принято представлять в виде проекции на оси заданной системы координат. Например, для тела вращения используют понятия осевых , окружных (тангенциальных) и радиальных остаточных напряжений.

Обобщенно можно сказать, сто остаточные напряжения первого рода есть результат неравномерных пластических деформаций различных слоев детали. Пример – искривление детали в ту или иную сторону.

Остаточные напряжении оказывают существенное влияние на прочность и долговечность деталей машин и конструкций: остаточные сжимающие напряжения ( - ), возникающие в поверхностном слое, повышают циклическую прочность деталей, т.к. они разгружают поверхностные слой от напряжений, вызванных нагрузками и, наоборот, растягивающие остаточные напряжения (+) уменьшают прочность деталей вследствие повышения напряженности поверхностного слоя.