ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ДЕФЕКТНОГО СЛОЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

Сирченко О.В., Калафатова Л.П. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина)

Хрупкие неметаллические материалы стали в последнее время незаменимы в силу своих уникальных прочностных и эксплуатационных характеристик, среди которых следует отметить высокую твердость, высокую сопротивляемость сжатию при низкой удельной плотности, термостойкость, устойчивость к силовой напряженности и внешнему гидростатическому давлению. Эти свойства делают хрупкие неметаллические конструкционные материалы наиболее пригодными для применения в условиях агрессивных сред океана и космоса, в самолето- и ракетостроении.

Специфика эксплуатации таких изделий предопределяет повышенные требования к прочностным характеристикам и точности изготовления, которые для материалов рассматриваемого класса в значительной степени определяются шероховатостью обработанной поверхности и сведением к минимуму дефектов поверхностного слоя.

Формирование в обработанном неметаллическом материале так называемого поверхностного слоя в общем случае является следствием нарушения сплошности материала при резании, развития и пересечения микротрещин. Исходя из основных положений теории разрушения [1], глубина распространения этих трещин будет зависеть от степени напряженного деформируемого состояния в обрабатываемом теле, определяемой энергетическими условиями процесса обработки.

При шлифовании разрушение материала припуска осуществляется при взаимодействии значительного количества абразивных зерен, которые могут быть представлены в виде микрорезцов, с обрабатываемой поверхностью (рис. 1).

При этом, под воздействием участка передней поверхности зерна, расположенного непосредственно у режущей кромки, образуется система трещин, распределяющаяся в направлении движения резания. На этом этапе происходит непрерывное увеличение силы резания, обеспечивающее развитие ведущей трещины 1. Скорость ее роста зависит от того, насколько величина напряжений растяжения s _р больше величины безопасного напряжения s _ст (при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны). Развитие трещины продолжается до тех пор, пока эти напряжения не превысят предела прочности материала, что вызывает быстрое падение силы резания вследствие отделения элемента стружки по поверхности 2. На этом заканчивается первый основной этап хрупкого разрушения.

Для изучения процессов абразивной обработки хрупких неметаллических материалов большинство исследователей моделировали отдельные фазы этих процессов (статическое воздействие, скольжение или перекатывание по поверхности) с помощью специально подготовленных инденторов в виде сфер, конусов, пирамид, призм с заданными геометрическими параметрами. При моделировании изучались условия образования на поверхности обрабатываемого материала следа от движения индентора при вариации нагрузки на индентор и скорости его перемещения, фиксировались усилия, действующие на материал и индентор при их взаимодействии, напряжения в материале.

В результате было установлено [3], что в зависимости от геометрии зерна индентора и уровня нагрузки на него при контакте в материале возникают деформации различного вида – от упругой до хрупкого разрушения. А именно: упругая деформация; пластическая деформация в сочетании с резанием; резание и хрупкое разрушение; хрупкое разрушение. Причем пластическое перемещение в начальный момент характеризуется отсутствием трещин у отпечатка и сопровождается выступанием материала над поверхностью. Затем возникают выдавленные царапины, образующиеся в результате пластической деформации материала без разрушений, или гладкие вырезанные царапины, сопровождающиеся отделением тончайшей стружки, причиной появления которых является пластическая деформация с разрушением. Доказано [4] также наличие упрочнения тонкого поверхностного слоя, вызванного явлением наклепа, возникающего при чистовом шлифовании и полировании и свидетельствующее об упруго-пластической деформации материала. При более высоких нагрузках, характерных для получистовых и черновых операций шлифования, образуются царапины третьего вида – сплошные, появляющиеся в результате хрупкого разрушения без пластических деформаций, со скалыванием частиц материала.

Таким образом, процесс абразивной обработки материалов представляет собой хрупкое разрушение с образованием царапин, системы трещин и выкалыванием материала при интенсивных режимах (черновое и получистовое шлифование) и упругопластическое разрушение с образованием выдавленных царапин при малых нагрузках на зерна абразива при чрезвычайно малой глубине их внедрения в материал. В обоих случаях микрорельеф обработанной поверхности является результатом многократных пересечений царапин, сопровождающихся при этом диспергированием материала.

Моделирование элементарных актов процесса диспергирования хрупких неметаллических материалов при воздействии на них абразивных частиц позволило выяснить, что возникающие под действием абразивных зерен трещины, неоднократно пересекаясь, обусловливают удаление мелких частиц материала и распространяются на некоторое расстояние вглубь.

В результате поверхность снаружи приобретает рельеф, состоящий из выступов и впадин, а под ним в массе материала остаются трещины. Поэтому шлифованная поверхность хрупкого материала состоит [5] из видимого рельефного слоя (h_p) и невидимого поверхностного слоя трещин – дефектного или трещиноватого слоя (h_d). Совокупность этих двух слоев принято называть разрушенным или поврежденным слоем шлифованной поверхности (H_p).

На рис. 2 представлена схема расположения основных компонентов процесса абразивного диспергирования и сформированных в результате элементов поверхностного слоя образца [5].

Основной вывод, сделанный о состоянии сформированного при абразивной обработке поверхностного слоя, состоит в том, что он дефектен. Его структура резко отличается от структуры исходного материала и, в отличие от пластичных материалов, представляет собой совокупность шероховатостей, образованных в результате выкола отдельных участков и системы трещин, так как преобладающим механизмом стружкообразования является хрупкое разрушение. Наличие дефектного слоя характерно для всех видов абразивной обработки хрупких материалов. При этом глубина дефектного слоя возрастает по мере интенсификации процессов диспергирования, уменьшаясь от черновых к чистовым операциям, что связано с уровнем силового воздействия на обрабатываемый материал при резании. Сформированный дефектный слой кардинальным образом влияет на эксплуатационные свойства изделий из хрупких материалов и, прежде всего, на прочность, особенно при воздействии растягивающих напряжений.

Таким образом, изучение формирования поверхностного слоя дает информацию для проектирования эффективных и рациональных технологических процессов обработки хрупких неметаллических материалов с точки зрения формирования минимальной дефектности и максимального качества обработанной поверхности за счет правильного выбора входных параметров технологического процесса.