Структура поверхностного слоя металла

Обновлено: 13.05.2024

Строение поверхностного слоя определяет возникающие в нем при взаимодействии с добываемой жидкостью процессы. Особое влияние поверхностного слоя на работоспособность штанг связано со следующими причинами. Во-первых, поверхностные слои штанг наделены избытком энергии. Например, молекулы, находящиеся у поверхности, имеют свободные связи, которые способствуют возникновению адсорбции, процесса смачивания и других видов взаимодействия с добываемой жидкостью, приводящих к коррозионному износу. Во-вторых, поверхностный слой штанг формируется в процессе эксплуатации и образует определенной формы поверхность за счет износа, трения штанг о трубы, а также вызывает ряд побочных явлений, изменяющих свойства штанг у их поверхности. [1]

Строение поверхностного слоя металла практически не изменяется, так как применяющиеся механические и тепловые воздействия совершенно недостаточны для образования деформированного слоя. Это является одним из достоинств способа. [2]

Рассматривая строение поверхностного слоя следует иметь в виду, 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. Кроме того, при эксплуатации изделия постоянно идет процесс изменения свойств поверхности из-за силовых, температурных, окислительных и других воздействий. [3]

Специфика строения поверхностного слоя металла существенно сказывается на кинетике диффузионных процессов в нем. Шлифование, фрезерование, гидроабразивная и пескоструйная обработки сплава ХН77ТЮР показали, что в поверхностном слое коэффициент диффузии никеля при 970 К в сотни раз больше, чем в электрополированном никеле. Увеличение коэффициента диффузии связано с уменьшением энергии активации процесса. После электрополирования, шлифования и пескоструйной обработки она равна 197, 160 и 159 кДж / ( г-атом) соответственно. [4]

Методы изучения строения поверхностного слоя электрода заключаются, как правило, в исследовании зависимости его состояния и различных свойств от потенциала электрода. Прежде всего исследователя интересует заряд поверхности, изменение потенциала в зависимости от расстояния от поверхности и адсорбция на ней различных ионных и молекулярных веществ. [5]

Это вынуждаемое копирование строения поверхностного слоя кристаллов основного металла атомами расплава припоя наблюдается в течение всего периода взаимодействия. Отличие состоит лишь в том, что первые стадии взаимодействия характерны интенсивной миграцией образующихся структур ( комплексов атомов основного металла и припоя) в объем расплава зоны сплавления, а с момента достижения равновесного состояния жидкой фазы определяющим фактором взаимодействия на межфазной границе становится диффузия в твердую фазу. [7]

Вследствие нерегулярности рельефа и строения поверхностного слоя тела поликристаллического строения напряжения в нем никогда не бывают однородными. Флуктуации напряженного состояния вызывают рост трещин в местах, где они не наблюдаются при однородном напряженном состоянии. [8]

В сборнике рассматривается роль строения поверхностного слоя и ад-сорбцио Нных явлений в электрохимических процессах. Помимо классических проблем, связанных со строением двойного слоя и с явлениями адсорбции на идеально поляризуемых электродах, значительное место отведено в книге работам, посвященным изучению кинетики и механизма конкретных электрохимических реакций и влиянию адсорбции компонентов реакции или посторонних веществ на их кинетику. [9]

Утомление связано с изменением строения поверхностного слоя и с разрушением фотокатода в результате ударов о него положительных ионов, образующихся в ионной лавине. [10]

Значительно более отчетливые изображения строения поверхностного слоя силикагелей были получены при помощи метода реплик. [11]

Сложнее обстоит вопрос о строении поверхностного слоя силикатных пакетов монтмориллонита . По модели Хендрикса и Джефферсона ( Hendricks, Jeffersson, 1939) монтмориллонит близок по структуре к вермикулиту, поэтому все сказанное выше о строении поверхности последнего и вытекающих отсюда последствий для ЯМР относится и к монтмориллонитам. [12]

Общим признаком для хордариевых служит строение поверхностного слоя слоевища . Он состоит из многоклеточных ( 2 - 12 клеток) однорядных неразветвленных нитей. Их клетки, содержащие большое количество хлоропластов, интенсивно окрашены; такие нити называют ассимиляционными. Нередко они имеют булавовидную форму за счет того, что их верхушечные клетки крупнее нижних. Ассимиляционные нити бывают рыхло - или плотно-расположенными ( рис. 125, 127, 1), но они не срастаются между собой. [14]

Сопровождаясь изменением микрогеометрии и нарушением строения поверхностного слоя , износ вызывает существенное снижение усталостной прочности. [15]

СТРОЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА

Поверхностный слой металла включает в себя наружную поверхность, имеющую непосредственный контакт с внешней средой (граничный слой), и нижележащий слой деформированного металла, отличающегося от основной части (сердцевины) металла своим строением, механическими, физическими и химическими свойствами.

Граничный слой

При идеально правильной структуре каждый атом, расположенный внутри металла, во всех направлениях подвергается воздействию силовых полей окружающих его атомов и находится, поэтому в состоянии подвижного устойчивого равновесия. Атомы, расположенные на поверхности, имеют связи только с соседними и нижележащими атомами и находятся поэтому в неуравновешенном, неустойчивом состоянии. В результате этого граничный слой, включающий в себя примерно два ряда атомов, обладает запасом свободной поверхностной энергии.

Поверхностную энергию можно представить в виде суммы потенциальной и кинетической энергий. Потенциальной части энергии соответствуют искажения нормального построения решётки (составляющие от долей процента до нескольких процентов от нормального интервала между атомами), а кинетической - изменение режима колебаний атомов в граничном слое.

Вследствие своей повышенной активности поверхность твёрдого тела неизбежно адсорбирует элементы окружающей среды и, как правило, бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров, часто осаждающихся прямо из воздуха.

Адсорбированные слои смазки, особенно поверхностно-активной, оказывают значительное влияние на величину поверхностной энергии, на процесс пластической деформации, на диспергирование поверхностных слоев и прочность металла (эффект Ребиндера). Адсорбция снижает поверхностное натяжение и энергию поверхностных атомов и облегчает развитие деформации.

Поверхность, и в особенности трещины и выходящие наружу межзерновые граничные прослойки, являются как бы воротами, через которые чужеродные атомы проникают в твёрдое тело. Воздействие окружающей среды приводит к возникновению на поверхности различных химических соединений, наиболее типичными представителями являются различные окислы.

Так, например, на стали можно наблюдать последовательно слои следующих окислов железа в направлении от поверхности в тело: Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO+ Fe₃O₄ , FeO.

Внутренняя часть поверхностного слоя

Ниже граничного слоя, покрытого пленкой жиров, водяных паров, адсорбированных плёнок и окислов, обычно располагается слой сильно деформированного и упрочнённого металла.

У металлов, находящихся в ненапряжённом или отожжёном состоянии, ниже слоя окисных плёнок располагается основная поликристаллическая структура, состоящая из более или менее равновесных кристаллических зерен неправильной формы (обычно с размерами от 0,01 до 1,0 мм), связанных межзеренной прослойкой. Кристаллические зерна (кристаллиты) построены из рядов определенным образом расположенных атомов, образующих соответствующие данному металлу кристаллические решетки, однако никакой закономерности взаимной ориентировки направлений кристаллографических осей отдельных зерен не существует.

Мозаичная структура

Во многих случаях при кристаллизации формируется так называемая мозаичная структура, состоящая из небольших блоков с размерами 10 -3 -10 -4 мм (т.е. порядка 10000 атомных расстояний), неправильной формы, но правильного внутреннего строения, разориентированных друг относительно друга под небольшими углами (от нескольких секунд до десятков минут, но не более одного градуса).

В одном кубическом миллиметре может находиться до 10 12 блоков. В поперечнике зерна мелкозернистой стали находится около 10 блоков, в крупнозернистой стали, алюминии, вольфраме от 70 до 200 блоков. Размеры блоков мозаики одного кристалла, даже после полного отжига, могут значительно отличаться друг от друга, что приводит при пластической деформации к возникновению значительных по величине остаточных напряжений, уравновешивающихся в границах одного зерна (т.е. напряжений второго рода). Блоки мозаики состоят из мелких кристаллов.

В кристаллитах всегда существуют атомы, обладающие энергией, превосходящей среднее значение энергии соседних атомов, и способные, поэтому, преодолеть созданный последними потенциальный барьер, покинуть свои места равновесия в узлах решетки, создавая в них пустоты (вакансии), и занять новые места в междоузлиях решетки (дислоцированные атомы) или в вакансиях других кристаллических ячеек. Беспорядочное движение атомов вокруг вакансий приводит к попаданию на свободное место в решетке какого-нибудь другого атома, что приводит к исчезновению данной вакансии и появлению новой.

При комнатной температуре число вакансий невелико, однако оно резко возрастает при повышении температуры и при пластической деформации металла.

Возникновение вакансий изменяет плотность металла. Наличие вакансий и дислоцированных атомов приводит к значительным искажениям кристаллической решетки.

В реальных кристаллах наиболее химически чистых элементов, содержащих всего 10 -7 % примесей, находится порядка 10 13 примесных атомов.

Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла, их присутствие вызывает искажение кристаллической решетки. Примеси оказывают существенное влияние на механические, химические, оптические и магнитные свойства, металлов. Точечные дефекты (вакансии, примеси, дислоцированные атомы) вызывают нарушение правильности строения кристаллической решетки и приводят к повышению свободной энергии кристалла. Равновесное положение точечных дефектов в решетке является метастабильным, а удаление их из кристалла влечет за собой понижение его свободной энергии.

Дислокации

Сопротивление деформированию и разрушению кристаллов определяется энергией межатомной связи. Каждый атом кристаллической решетки подвергается одновременному воздействию сил притяжения (электростатические силы притяжения противоположно заряженных частиц ионов и электронов) и сил отталкивания (силы отталкивания одноименно заряженных электронов). Общая потенциальная энергия взаимодействия ионов и электронов (энергия связи) является функцией межатомного расстояния. Теоретическая прочность твердого тела при абсолютном нуле возрастает с увеличением модуля упругости Е (модуля Юнга) и величины поверхностной энергии и уменьшается с увеличением расстояния между соседними плоскостями. В связи с этим высокопрочные материалы - это материалы с высокими значениями модуля упругости, большой поверхностной энергией и большим числом атомов в единице объема. Расчетами теоретической прочности металлов установлено критическое напряжение t_кр сдвига, необходимое для осуществления пластической деформации t_кр=G/30, где G - модуль упругости второго рода. Расчеты теоретической прочности металлов по данной формуле дают ее значения на несколько порядков выше их фактической прочности, установленной непосредственными экспериментами.

Так, при теоретической величине напряжения сдвига у железа t_{кр,теор}=2300 МПа его экспериментальное значение составляет всего t_{кр,эксп}29 МПа.

Значительные расхождения теоретической и фактической прочности металлов объясняются наличием в реальных поликристаллах различных несовершенств и дефектов кристаллической решетки (точечные дефекты в виде вакансий, дислоцированных атомов и примесей и линейные дефекты в виде дислокаций различного типа). Особенно сильное влияние на снижение прочности реальных металлов оказывают дислокации.

Рис. 7.1. Расположение атомов в зоне линейной дислокации

На рисунке 7.1 дано перспективное изображение расположения атомов вокруг линейной дислокации в простом кубическом кристалле. Атомный ряд 1 и все горизонтальные ряды атомов, расположенные выше него, имеют соответственно на один атом больше ряда 2 и нижележащих рядов атомов. Это приводит к искажению строения решетки, при котором расстояние между атомами верхнего ряда у точки 0 (центр, или ядро дислокации) меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки 0 больше нормального (решетка растянута). По мере удаления от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от точки 0 в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. Аналогичное расположение атомов повторяется в большом числе плоскостей, расположенных параллельно плоскости чертежа, поэтому центры (ядра) дислокации 0 каждой атомной плоскости кристалла образуют линию наибольших искажений решетки, направленную перпендикулярно к плоскости чертежа. Образование линейной дислокации можно представить по рисунку 7.1 как введение в часть объёма кристалла лишней атомной плоскости М-О, называемой экстраплоскостью. Наибольшее искажение сосредоточено в основном вблизи нижнего края полуплоскости лишних атомов М-О, поэтому под дислокацией обычно и понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости. Фактически линейная дислокация представляет собой не просто линию наибольших искажений решетки, а включает в себя всю полосу примыкающих к этой линии атомов, имеющих неправильное взаимное расположение. Дислокация проходит через весь кристалл или значительную его часть на длину порядка 10 -4 мм, сливаясь обычно с другими дислокациями, имеющими иное направление, или упираясь концами в какие-либо дефекты структуры кристалла (примеси, границы зёрен).

Среднее расстояние между отдельными дислокациями в кристалле составляет 10 4 межатомных расстояний, что соответствует для отожженного металла 10 -3 мм, или 1 мкм. У наклепанного металла расстояние между дислокациями уменьшается до 10 -6 мм, т.е. до 0,001 мкм.

Суммарная длина дислокаций в единице объёма металла очень велика. Так, в 1 см 3 отожженного металла, имеющего плотность дислокаций 10 7 -10 8 см -2 , суммарная длина дислокаций изменяется от 100 до 1000 км.

Дислокация, изображенная на рисунке 7.1 и имеющая в верхнем ряду 1 больше атомов, чем в нижнем ряду 2, считается положительной и обозначается символом ^. В противоположном случае, когда в нижнем ряду число атомов больше, чем в верхнем, дислокация считается отрицательной и обозначается символом

Возникновение дислокаций в кристалле не приводит к нарушению сплошности кристаллической решетки и образованию свободной поверхности, однако, атомные слои в месте расположения дислокаций упруго искажаются, в результате чего возникает локальная концентрация напряжения.

Если силы, действующие на дислокацию, каким-либо образом уравновешены, то она остается неподвижной, находясь в некотором метастабильном состоянии. Чтобы вывести дислокацию из такого состояния, необходимо подвести к материалу энергию извне, прикладывая внешнюю неуравновешенную нагрузку или повышая температуру материала.

Дополнительная внешняя нагрузка вызывает смещение дислокации в направлении вектора результирующей силы. Повышение температуры увеличивает подвижность дислокации, поэтому происходит смещение дислокаций при приложении меньших по величине внешних нагрузок. При этом общее количество дислокаций в кристалле непосредственно от температуры его нагрева не зависит.

Силовые поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой; если же дислокации имеют разные знаки, то они притягиваются. По мере сближения дислокаций одного знака сила их взаимного отталкивания возрастает, а в области сближения таких дислокаций возникает высокая концентрация напряжений, тем большая, чем больше дислокаций находиться в зоне скопления. Сближение дислокаций разного знака приводит к их аннигиляции (взаимоуничтожению) с выделением энергии.

Дислокации возникают в реальном кристалле в процессе его роста из расплава или раствора.

Источниками дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий.

Линии дислокаций могут заканчиваться выходом на границу (поверхность) кристалла. Внутри кристалла дислокация не может оборваться внезапно, т.е. так, чтобы далее простиралась область правильной структуры (в направлении линии дислокации), поэтому во внутренних зонах концы линий дислокации должны соединяться, образуя замкнутые системы. В связи с этим кроме простых линейных дислокаций в кристаллах существуют криволинейные дислокации разной формы, а также возникают «большие дислокации», которые могут быть разложены на ряд простых дислокаций. Второй разновидностью «правильно построенных» дислокаций являются винтовые дислокации, расположенные по винтовой поверхности. Дислокации в реальных кристаллах формируются обычно как разнообразные сочетания форм линейной и винтовой дислокаций.

Рис. 7.2. Модель деформации решетки в области винтовой дислокации

Атомы, принадлежащие до смещения параллельным плоскостям, теперь будут принадлежать одной винтовой поверхности, образовавшейся в результате указанного смещения на межатомное расстояние b, поэтому рассмотренное линейное несовершенство назвали винтовой дислокацией. Ось цилиндра ef назвали осью винтовой дислокации. Ось винтовой дислокации (её также называют линией винтовой дислокации) параллельна направлению скольжения в кристаллической решетке.

Дислокации оказываются подвижными при напряжениях, которые значительно меньше модуля сдвига. Чтобы дислокация передвинулась от одного атомного ряда решетки к следующему, необходимы лишь чрезвычайно малые изменения в расположении атомов. Смещение атомов таким образом не устраняет дислокацию, а только изменяет ее положение. В связи с этим, однажды образовавшись, дислокация может двигаться через кристалл при очень малом напряжении и с очень большой скоростью, приближающейся при больших внешних напряжениях к скорости звуковой волны.

Рис. 7.3. Движение волны смещения (полосы дислокаций) при пластической деформации кристалла

В соответствии с этим процесс скольжения может быть представлен как движение через кристалл некоторой волны смещения, являющийся полосой дислокации (рис. 7.3, а, б), завершающееся появлением на, кристалле ступеньки сдвига (рис. 7.3, в), т.е. пластическим смещением одной части кристалла относительно остального его объёма.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ЕГО КАЧЕСТВА И ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Родионов Игорь Викторович

В статье представлен анализ структуры поверхностного слоя , его качества и влияния на эксплуатационные свойства деталей. Статья написана в рамках решения одной из задач диссертационного исследования «Повышение эксплуатационных свойств деталей методами обработки в гранулированных рабочих средах».

ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF THE SURFACE LAYER, ITS QUALITY AND INFLUENCE ON THE PERFORMANCE PROPERTIES OF PARTS

The article presents an analysis of the structure of the surface layer , its quality and influence on the performance properties of parts. The article is written in the framework of solving one of the tasks of the dissertation research "Improving the performance properties of parts by processing methods in granular working environments".

Текст научной работы на тему «АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ЕГО КАЧЕСТВА И ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ»

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ЕГО КАЧЕСТВА И ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ Родионов Игорь Викторович, аспирант Донской государственный технический университет

В статье представлен анализ структуры поверхностного слоя, его качества и влияния на эксплуатационные свойства деталей. Статья написана в рамках решения одной из задач диссертационного исследования «Повышение эксплуатационных свойств деталей методами обработки в гранулированных рабочих средах».

Ключевые слова: поверхностный слой, эксплуатационные свойства, усталостная прочность, долговечность, шероховатость

Введение. В современном машиностроении предъявляются все более высокие требования к эксплуатационным свойствам деталей машин. Развитие машиностроения как важнейшего условия технического перевооружения промышленности требует повышения эксплуатационной надежности изделий, получения на стадии их изготовления таких характеристик качества, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к эксплуатационным показателям рабочих поверхностей, исключают образование причин отказов и обеспечивают формирование заданных свойств.

Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин в условиях непрерывного форсирования рабочих процессов. Выполнение растущих требований к надежности и ресурсу достигается конструктивными и технологическими методами.

Эксплуатационные свойства деталей машин во многом зависят от состояния поверхностного слоя: физико-механических свойств; микрогеометрии; остаточных напряжений. В связи с этим повышаются требования к качеству поверхности деталей, а в технологическом процессе их изготовления важную роль приобретают финишные операции, во многом определяющие уровень эксплуатационных показателей машин в целом.

Основная часть. Для того, чтобы понять, как поверхностный слой влияет на эксплуатационные свойства деталей, необходимо разобраться в том, что собой представляет поверхностный слой и чем он характеризуется.

В настоящее время благодаря многочисленным исследованиям установлено, что эксплуатационные свойства деталей машин наряду с другими факторами в значительной степени определяются качеством их рабочих поверхностей. Само понятие «качество поверхности» является широко обобщенным и определяется комплексом параметров, определяемых в свою очередь рядом других, более дифференцированных показателей. [1]

В процессе изготовления и эксплуатации детали на ее поверхности возникают неровности в слое металла, прилегающем к ней, изменяются структура, фазовый и химический состав. В детали возникают остаточные напряжения.

Наружный слой детали с измененными структурной, фазовым и химическим составом по сравнению с основным металлом, из которого изготовлена деталь, называется поверхностным слоем. Внешняя поверхность слоя граничит с окружающей средой или с сопряженной деталью.

В поверхностном слое (рис. 1) можно выделить следующие основные зоны:

зона 1 - это адсорбированные из окружающей среды молекулы и атомы органических и неорганических веществ (например, СОЖ, воды), ее толщина 1. 10 нм;

зона 2 - продукты химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов), толщиной ~ 10 .. ,1мкм;

граничная зона 3 толщиной в несколько межатомных расстояний; металл в этой зоне имеет иные, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуры;

зона 4 с измененной структурой, фазовым и химическим составом, она возникает в процессе изготовления и эксплуатации детали, ее толщина обычно —0,01 . 0,1 мм.

Рис.1. Схема поверхностного слоя детали 1 - адсорбированная зона; 2 - зона оксидов; 3 - граничная зона металлов; 4 - зона металла с измененной структурой, фазовым и химическим составом; 5 - основной металл

Неровности на поверхности детали, структура, фазовый и химический состав поверхностного слоя влияют на ее физико-химические и эксплуатационные свойства.

Поверхностный слой оказывает существенное влияние на надежность работы детали, узла и машины в целом. При эксплуатации поверхностный слой детали подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию. Разрушение детали в большинстве случаев начинается с по-

верхности (например, развитие усталостной трещины, износ, эрозия, коррозия). [2]

Шероховатость поверхности является одним из основных параметров качества поверхностного слоя, определяющим многие эксплуатационные свойства деталей машин, регламентируется ГОСТ 2789-73. Физико-механические параметры качества поверхности также являются важнейшими по их влиянию на эксплуатационные свойства деталей машин и широко представлены в работах по упрочняющей технологии. Задача технологического обеспечения оптимальных как геометрических, так и физических параметров качества поверхности является одной из основных в учении о качестве поверхности.

Служебное назначение изделия, условия в которых оно должно выполнять свои функции определяют комплекс требований эксплуатационного характера, предъявляемых к изделию и его элементам - деталям, т.е. комплекс эксплуатационных свойств.

Среди упомянутых показателей эксплуатационных свойств: усталостная прочность (предел выносливости, усталостная долговечность) - характеризует сопротивление детали циклическим нагрузкам. Методика проведения усталостных испытаний регламентируется ГОСТ, предусматривающим различные виды нагружения;

износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях эксплуатации. Процесс изнашивания характеризует постепенное изменение размеров детали при её эксплуатации, а износ есть результат изнашивания;

контактная усталость - усталость материала поверхностного слоя в условиях многократных контактных нагружений;

коррозионная стойкость - характеризует сопротивление материала действию коррозионных процессов. Существует ряд методов коррозионных испытаний - лабораторные, эксплуатационные, длительные, ускоренные. Величину, по которой судят о скорости коррозионного разрушения материала, называют показателем коррозии. Для оценки коррозионной стойкости материалов существует десятибалльная шкала;

отражательная способность оценивается количеством отраженного и рассеянного света.

При оценке качества и эксплуатационных свойств рассматриваются и такие комплексные показатели, как надежность и долговечность.

Надежность является комплексным понятием (и показателем), объединяющим ряд свойств изделия, связанных с выполнением им служебных свойств в течение заданного времени. В свою очередь показателями надежности являются такие понятия, как работоспособность и отказ. Первый из них характеризует состояние объекта, при котором он может выполнять заданные функции, а второй - событие, в результате которого наступает потеря работоспособности. С точки зрения возможности устранения или

предупреждения отказа изделия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Надежность характеризуется совокупностью дифференцированных свойств: безотказностью и сохраняемостью для невосстанавливаемых изделий и безотказностью, сохраняемостью, ремонтопригодностью и долговечностью - для восстанавливаемых [123]. Безотказность - способность изделия или детали сохранять работоспособность в течение заданного периода; сохраняемость - способность изделия сохранять эксплуатационные свойства на заданном уровне в течение установленного срока хранения, транспортирования. Ремонтопригодность характеризует свойство изделия, позволяющее предупреждать, обнаруживать и устранять отказ и неисправность.

Долговечность - это свойство изделия и детали сохранять работоспособность до определенного состояния с учетом перерывов для технического обслуживания и ремонта. Такое состояние может являться следствием износа, поломки, экономической нецелесообразности ремонта или морального износа. Показателем долговечности является ресурс и срок службы. Ресурс характеризуется наработкой (во времени) изделия до предельного состояния, срок службы, в отличие от ресурса, характеризуется не наработкой, а календарной продолжительностью эксплуатации изделия до определенного состояния, указанного в технической документации.

Для деталей авиастроительного производства наиболее важными эксплуатационными свойствами являются усталостная прочность и долговечность, коррозионная стойкость, способность воспринимать динамические нагрузки.

Многие детали машин испытывают в работе циклические знакопеременные нагрузки. В этих случаях разрушение деталей связано с усталостью металлов. Установлено, что усталостная прочность металлов тесно связана с качеством поверхности (геометрическими и физикомеханиче-скими параметрами). Мелкие надрезы и риски на поверхности, вызывая концентрацию напряжений, могут существенно снижать усталостную прочность деталей. Концентрация напряжении отмечается главным образом во впадинах: чем глубже впадина и меньше ее радиус, т.е. чем она острее, тем интенсивнее происходит концентрация напряжений. С этим связано стремление для деталей, испытывающих действие знакопеременных нагрузок, получать на финишных операциях их изготовления как можно более чистые рабочие поверхности.

Структурное состояние поверхностных слоев деталей также влияет на их усталостную прочность. Шлифовочные ожоги и возникающие при этом трещины действуют как концентраторы напряжений. Упрочнение металла способствует повышению усталостной прочности, поскольку упрочненный поверхностный слой является как бы коркой и препятствует росту и распространению усталостных трещин.

Большое влияние на усталостную прочность деталей оказывает наличие в поверхностных слоях остаточных напряжений. При сжимающих остаточных напряжениях в поверхностных слоях усталостная прочность деталей значительно возрастает. Разрушение от усталости деталей, работающих на изгиб и кручение, в основном происходит под действием в поверхностных слоях растягивающих рабочих напряжений. Наличие в поверхностных слоях остаточных сжимающих напряжений снижает рабочие растягивающие напряжения и тем самым способствует повышению усталостной прочности деталей. Таким образом, усталостная прочность деталей машин во многом определяется качеством поверхности - ее физическими и геометрическими параметрами.

Исследования показали, что вибрационная обработка, создавая поверхность деталей с новыми качественными показателями, благоприятно влияет на усталостную прочность [3]. Это связано с созданием шероховатости поверхности, равнозначной во всех направлениях, повышенной микротвердостью поверхностных слоев (наклеп) и наличием в них сжимающих остаточных напряжений.

В реальных условиях эксплуатации многие детали машин и аппаратов работают в различных внешних средах (влажный воздух, вода и водные растворы, смазочные масла, кислоты, щелочи и другие среды), находящихся при различных температурах и давлениях. Разрушение деталей при этом может происходить без их взаимного контактирования. Долговечность деталей здесь определяется их коррозионной стойкостью, т.е. способностью металла сопротивляться действию химических и электрохимических процессов. Кроме того, находясь в реальных условиях, ряд деталей испытывает действие знакопеременных нагрузок; долговечность таких деталей определяется коррозионно-усталостной прочностью.

Коррозионное разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. В связи с этим состояние поверхности в значительной степени влияет на ее взаимодействие с внешней средой.

Поверхность металла отличается не только большой геометрической и топографической сложностью, но также и неоднородностью силового поля возле нее, что приводит к различной адсорбционной и коррозионной активности поверхности в различных ее местах.

Поверхность металла, имея какой-то закономерный для данного вида обработки рельеф, несет на себе большое количество дефектов в виде царапин, трещин, надрезов, сдвигов и т.д. Возле этих мест обычно начинается разрушение. Из вышесказанного следует, что шероховатость поверхности, а также физические параметры качества поверхности оказывают большое влияние на коррозионную стойкость деталей машин. Среди этих параметров наибольшее влияние оказывают микротвердость и остаточные напряжения.

Таким образом, качество поверхности определяет наряду с другими факторами такие важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин, как

износостойкость, усталостную, коррозионную и коррозионно-усталостную прочность, а также целый ряд других служебных характеристик деталей машин - отражение световых и магнитных волн, теплопроводность, электропроводность и др. Исследования показывают, что максимальной долговечности деталей машин соответствует наличие лишь оптимальных параметров качества поверхности, сведения о которых могут быть получены из сферы эксплуатации деталей машин. Для того чтобы в процессе обработки деталей получить качество их рабочих поверхностей, соответствующее оптимальному, необходимо иметь сведения о влиянии на них различных факторов технологического процесса.

Заключение. Формирование исходного состояния поверхностных слоев завершается при окончательной технологической обработке. Поэтому важно получить такое качество поверхности при изготовлении деталей машин, при котором в конкретных условиях эксплуатации обеспечивается образование вторичных (рабочих) состояний поверхностных слоев, обладающих высоким комплексом прочностных свойств, которые позволят не просто соответствовать эксплуатационным требованиям, выдвигаемым к детали, но и будут их превосходить, позволяя говорить о повышении эксплуатационных свойств.

1. Бабичев А.П., Тамаркин М.А. Формирование и контроль параметров качества поверхности, определяющих эксплуатационные свойства деталей машин: Научное издание/ Под ред. А.П. Бабичева. - Ростов н/Д: ,1990.

2. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин: Машиностроение, 1988.

3. Бабичев А.П., Мотренко П. Д. Применение вибрационных технологий для повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей: Науч. издание /Под ред. А.П. Бабичева. - Ростов н/Д: , 2006.

Rodionov Igor, PhD student Don state technical University

ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF THE SURFACE LAYER, ITS QUALITY AND INFLUENCE ON THE PERFORMANCE PROPERTIES OF PARTS The article presents an analysis of the structure of the surface layer, its quality and influence on the performance properties of parts. The article is written in the framework of solving one of the tasks of the dissertation research "Improving the performance properties of parts by processing methods in granular working environments".

Keywords: surface layer, performance properties, fatigue strength, durability, roughness

Характеристика поверхностного слоя металла.

При эксплуатации деталей их поверхностный слой подвергается наиболее интенсивному износу под влиянием механического, химического, теплового, магнитоэлектрического, светового воздействия. В результате на поверхности металла появляются трещины, следы коррозии, кавитации, эрозии и т.д. Поэтому к качеству поверхностного слоя металла предъявляются более высокие требования, чем к металлу, находящемуся в сердцевине детали.

Качество поверхностного слоя характеризуется множеством параметров:

Геометрические погрешностиповерхностей в зависимости от отношения шага S к высоте неровностей R_Z подразделяются следующим образом: приS/R_Z < 50- шероховатость поверхности, при S/R_Z = 50. 1000 - волнистость поверхности, а при S/R_Z > 1000 - отклонения от правильной геометрической формы (овальность, конусность, вогнутость и т.д.).

По ГОСТ 2789-73 нормирование шероховатости осуществляется по высоте(R_Z, R_a, R_max) и по параметрам, характеризующим форму, расположение и направление микронеровностей в пределах базовой длины - среднему шагу неровностейS_m, среднему шагу неровностей по вершинам S и относительной опорной длине профиляt_Р.

Волнистость появляется на поверхности детали в процессе механической обработки из-за вибраций в технологической системе. Различают поперечную волнистость с расположением волн перпендикулярно к движению режущего инструмента и продольную - с расположением волн в направлении движения инструмента.

Остаточные напряжения подразделяются на три вида:

- напряжения первого рода или макронапряжения. Они охватывают области, размеры которых соизмеримы с размерами детали и имеют ориентацию, связанную с формой детали. Возникают от неоднородности силового, температурного поля внутри детали;

- напряжения второго рода, или микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группу зерен;

- напряжения третьего рода, относящиеся к искажениям атомной решётки.

Напряжения второго и третьего рода имеют разную ориентацию и малы по значению, поэтому не оказывают влияния на коробление деталей. Эти напряжения возникают в результате фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зёрен на блоки при пластической деформации.

Остаточные напряжения можно определить расчетными и экспериментальными методами. При теоретических расчетах определяют значения и знак напряжений в результате силового и теплового напряжений в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, формы и размеров детали. При экспериментальных методах остаточные напряжения определяют расчетами по деформации образца после снятия с него напряженного слоя. Этот метод является разрушающим.

При исследованиях поверхностного слоя широко используют рентгеновский метод, позволяющий определять остаточные напряжения и наклёп.

Структуру металла поверхностного слоя оценивают металлографическим анализом.

Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности.

Основным параметром геометрической точности поверхности является шероховатость, которая зависит от методов обработки, режимов резания, геометрических параметров и качества заточки режущих пластин инструмента, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, жёсткости технологической системы, наличия охлаждающей жидкости и др.

Профессором П.Е. Дьяченко предложена общая формула, определяющая параметр шероховатости:

где: R_P - расчетная высота шероховатости, зависящая от продольной подачи;

R_ПЛ - шероховатость, получаемая в результате пластического деформирования металла лезвием инструмента;

R_УПР - доля высоты шероховатости, которая получается в результате упругого восстановления металла после прохода инструмента;

R_Л - шероховатость, создаваемая неровностями и дефектами лезвия инструмента;

R_Д - шероховатость, получаемая за счет взаимодействия стружки с обработанной поверхностью детали или за счет повторного взаимодействия с лезвием режущего инструмента;

R_Ж - шероховатость, возникающая из-за податливости технологической системы.

Из параметров режимов резания наибольшее влияние на шероховатость обработки оказывают скорость резания и подача. С изменением скорости резания изменяется высота нароста, которая наибольшим образом связана с возникновением на поверхности обработанной детали сколов, микротрещин и других дефектов.

Первая зона соответствует малым скоростям резания, порядка 1 м/мин. Нарост при такой скорости не образуется, поверхность после обработки не имеет задиров.

Во второй зоне скорость резания составляет от 1 до 30 м/мин. В этом случае величина нароста максимальна, поверхность имеет высокую шероховатость.

Третья зона соответствует скоростям резания от 25 до 80 м/мин. При резании с такими скоростями величина нароста уменьшается, а качество обработанной поверхности улучшается.

При скорости резания более 80 м/мин нарост отсутствует. В этой зоне параметр шероховатости близок к расчетному и с изменением скорости резания практически не изменяется.

На рис.55 представлена зависимость шероховатости от подачи при точении сталей.

Из графика видно, что чем больше подача, тем больше степень шероховатости обработанной поверхности. Наибольший рост шероховатости имеет место при подаче 0,6. 0,7 мм/об, когда кривая устремляется вверх.

При малых подачах большую роль в формировании шероховатости начинают играть дефекты лезвия инструмента.

Величина шероховатости может быть значительно снижена, если обработку производить не обычными резцами с цельнометаллическими державками, а резцами, державки которых имеют полости, заполненные композиционным материалом на полимерной основе, например, синтеграном. Этот материал состоит из различных фракций гранита или габбро-диабаза, соединенных эпоксидной или полиэфирной смолой. В поперечном сечении державки могут иметь различную комбинацию металла и композиционного материала, как показано на рис. 56.

Читайте также: