ФОРМУВАННЯ І БУДОВА ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

В результаті реалізації технологічного процесу обробки деталі на її поверхні утворюються різного роду нерівності, і змінюється фізико-хімічний стан матеріалу.

Зовнішній шар деталі, що має відхилення від ідеальної геометричної форми і змінені фізико-хімічні властивості в порівнянні з основним матеріалом, називають поверхневим шаром. Для більш наочного уявлення будови поверхневого шару на рис. 5.1 приведена його схема.

Схема технологічного поверхневого шару

Мал. 5.1. Схема технологічного поверхневого шару:

1 - похибка форми; 2 - хвилястість; 3 - шорсткість; 4 - адсорбована зона; 5 - зона оксидів; 6 - гранична зона металу; 7 - деформована зона металу зі зміненою структурою і фазовим складом; 8 - основний метал

Зона 1 являє собою похибку форми і є одним з показників точності поверхні виробу, які детально розглянуті в гл. 4. На реальної поверхні при реалізації багатьох технологічних операцій можна спостерігати появу хвилястості . Причиною цієї похибки може бути недостатня жорсткість технологічної системи, коливання припуску на обробку, нерівномірна твердість на поверхні заготовки, відсутність надійного віброгасильних фундаменту верстатів і ряд інших. Всі перераховані причини окремо або в різних поєднаннях можуть викликати вібрацію і створювати хвилястий шлейф поверхні в різних напрямках по відношенню до головного руху.

На хвилястою поверхні можна спостерігати мікронерівності, або шорсткість , неминуче присутню на будь-якої технологічної поверхні, яка по висоті нерівностей може перебувати в дуже широкому діапазоні від тисячних часток до сотень мікрометрів.

Адсорбована зона являє собою граничний шар реальної технологічної поверхні, який стикається з зовнішнім середовищем і атоми якого мають зв'язок тільки з нижчого рівня атомами і знаходяться в нестійкому стані.

У зв'язку з цим він має великий запас вільної поверхневої енергії і розташований, як правило, в межах шорсткого шару.

Адсорбція сторонніх молекул і атомів в граничний шар може відбуватися з мастильно-охолоджуючих технологічних засобів (СОТС), розчинників, миючих засобів і т.д., його товщина зазвичай не перевищує 100 ім.

Зона оксидів виникає в результаті реакції хімічних елементів матеріалу заготовки з киснем повітря і являє собою оксиди різного валентного співвідношення. Товщина зони оксидів може доходити до 10 нм. Так, для чорних металів (сталей і чавунів) ці оксиди можуть бути трьох типів Fe2O3, Fe3O4 і FeO, які мають різну твердість, можуть змінювати поверхневий натяг і впливати на розвиток пластичної деформації. Товщина зони оксидів не перевищує декількох мікрометрів.

Під адсорбційної знаходиться гранична зона , товщиною в кілька нанометрів, яка має іншу, ніж у основного матеріалу кристалічну і електронну структуру, і практично не впливає на основні експлуатаційні властивості поверхневого шару.

Нижче граничної зони розташовується деформований і зміцнений шар матеріалу.

Деформаційне зміцнення (наклеп) металу після механічної обробки обумовлено збільшенням щільності дислокацій в структурі матеріалу.

історичний екскурс

У 20-і рр. минулого століття вчені задалися питанням: чому чисті метали м'якше сплавів? Чому полікристалічні твердіше монокристалічних? Незрозуміло було і те, чому міцність реальних кристалів в сотні і тисячі разів менше теоретичної. Переломним в пізнанні цих явищ виявився 1934 р Англійський фізик Д. Тейлор з Кембриджського університету і угорський вчений Е. Орован висунули гіпотезу: в кристалах існує особливий дефект: дислокація, рішучим чином змінює властивості кристалічного матеріалу.

У металі, які не підданому деформаційному впливу, щільність дислокацій знаходиться в дуже широкому діапазоні значень від 103 до 106см-2, а в сильно деформованому - порядку 1012 см-2.

Щільність дислокацій в реальному конструкційному матеріалі зазвичай тісно пов'язана з розміром зерна його структури. Причому, ця залежність є обернено пропорційною: чим більше зерно, тим менше щільність дислокацій і навпаки. На рис. 5.2 представлена відома якісна залежність впливу щільності дислокацій на характеристики міцності матеріалу.

Ділянка 1-2 характерний для матеріалів з кристалічною будовою, близьким до ідеального. Ділянка 2-3 відображає міцності хімічно чистих металів, які не є конструкційними матеріалами.

Зі збільшенням в металі числа дислокацій міцність спочатку різко знижується, так як відносно невелике число дислокацій при переміщенні на своєму шляху зустрічає мало перешкод, які гальмують цей рух. І, крім того, на цій стадії деформування зерно матеріалу досить велике і, отже, в одиниці об'єму матеріалу число зерен ще не велике і кордонів зерен, як перешкод для зростання дислокацій, недостатньо.

На наведеному графіку виділена точка 4 , відповідна мінімальним міцності

Вплив щільності дислокацій на характеристики міцності матеріалів

Мал. 5.2. Вплив щільності дислокацій на характеристики міцності матеріалів

характеристикам матеріалу при щільності дислокацій, характерною для кожного металу конкретним значенням. Так, для конструкційних сталей вона приблизно дорівнює 107-108 см-2.

Подальше збільшення щільності дислокацій призводить до збільшення міцності за рахунок гальмування деформаційного процесу самої сгущающейся сіткою дислокацій і зростаючою кількістю кордонів зерен матеріалу (ділянка 4-5).

Поверхневий шар, пройшовши стадію технологічного впливу і експлуатаційних навантажень, в певний момент набуває критичну щільність дислокацій (точка 6), і метал втрачає здатність пластично деформуватися, і частіше за все піддається крихкому руйнуванню. Товщина зони 7 може досягати декількох міліметрів. Зона 8 являє собою структуру основного матеріалу з властивими йому характеристиками міцності і хімічними властивостями.

Зарубіжний і вітчизняний досвід

Поряд з точносних показниками деталей машин стан їх поверхневих шарів в значній мірі визначає якість продукції машинобудівної промисловості. Серйозно цією проблемою вітчизняні та зарубіжні вчені стали займатися в 30-і рр. XX століття.

Систематизирующим працею в даному напрямку стала вийшла в 1936 р книга німецького вченого Г. Шмальца "Якість поверхні" [1] , в якій представлені дані про властивості оброблених поверхонь (відомих на той час).

В середині XX ст. великий внесок у розвиток даного напрямку внесла комісія за якістю поверхні при інституті машинознавства АН СРСР під головуванням доктора технічних наук професора Е. А. Сателіт.

  • [1] Шмальц Г. Якість поверхні. Берлін, 1936.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >