ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ СТАН ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

Як показано в параграфі 5.1, поверхневий шар деталі являє собою дуже складну структуру, значно відрізняється від основного матеріалу. Весь цей комплекс нових властивостей, придбаних матеріалом в результаті технологічного впливу, називають фізико-хімічним станом.

На сьогоднішній день число параметрів, що характеризують фізико-хімічний стан, налічує кілька десятків і вимагає тривалих і дорогих досліджень із застосуванням електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, оже-спектроскопії, акустичної емісії і ряду інших методів.

У цьому параграфі ми торкнемося лише деяких з них, але і це обмежене число прикладів переконливо підкреслить глибину і невичерпність розглянутої проблеми.

Спочатку розглянемо так звані фізико-механічні властивості поверхневого шару , до яких відносять деформаційне зміцнення і залишкові напруги.

Силові і температурні впливи на поверхню деталі при виготовленні та експлуатації призводять до зміни фізико-механічних властивостей матеріалу поверхневого шару. Причиною такої зміни, перш за все, є структурні зміни в кристалічній решітці конструкційний матеріал, що пов'язано зі зростанням кількості дислокацій, вакансій та інших дефектів решітки. Зерна матеріалу, що знаходяться безпосередньо біля поверхні, подрібнюються і витягуються в напрямку вектора головного руху обробки, що призводить до утворення текстури, характерної для кожного технологічного методу або режиму експлуатації.

Крім силового фактора, в процесі обробки істотне значення на формування фізико-механічних властивостей поверхневого шару надає діюча температура і швидкість деформації матеріалу.

Залежно від умов протікання механічного впливу на поверхневий шар в процесі обробки може відбутися зміна його фазового і хімічного складу.

Одночасне поєднання перерахованих факторів може значно змінити фізико-механічні властивості металу поверхневого шару деталей, що призводить до серйозних ускладнень при прогнозуванні їх довговічності і надійності, так як користуватися традиційними довідковими даними за значенням межі текучості і твердості не представляється можливим.

При реалізації більшості технологічних методів обробки протікають два процеси: деформаційне зміцнення і знеміцнення, що відбуваються внаслідок дії високих температур в зоні обробки. Остаточне формування фізико-механічних властивостей поверхневого шару визначається співвідношенням інтенсивності цих процесів.

Основними характеристиками, які використовують для практичних інженерних розрахунків, в даний час є деформаційне зміцнення і залишкові напруги. Деформаційне зміцнення, або наклеп, змінює властивості металу поверхневого шару наступним чином: підвищується його твердість і крихкість (за рахунок зменшення ударної в'язкості), внутрішнє тертя і зменшується щільність.

Для оцінки зміцнення, як правило, використовують параметри - ступінь ( U н, глибина h н і градієнт ( U гр наклепу:

(5.9)

(5.10)

де - максимальна поверхнева мікротвердість; - вихідна мікротвердість матеріалу.

Залишкові напруги в тій чи іншій мірі існують і врівноважуються всередині матеріалу поверхневого шару після припинення дії силових, температурних і швидкісних чинників технологічних методів.

Основними причинами виникнення залишкових напруг вважається неоднорідний розподіл деформації за обсягом деталі.

В даний час найбільш життєздатною показала себе наступна класифікація технологічних залишкових напруг:

  • • напруги I роду (макронапружень) поширюються в макрооб'ємів, порівнянних з розмірами деталей;
  • • напруги II роду (мікронапруги) спостерігаються в мікрооб'ємах (окремих зернах, блоках і їх групах);
  • • напруги III роду локалізуються в нанооб'емах аж до розмірів, порівнянних з міжатомними відстанями.

Для задач машинобудування практичне використання отримали напруги I роду, які в певній мірі при їх експериментальному визначенні побічно відображають як мікро-, так і нанонапряженія.

На рис. 5.6 показані типові епюри технологічних залишкових напруг I роду.

Переважна більшість фінішних методів обробки формують стискають технологічні залишкові макронапружень безпосередньо біля поверхні, які можна пояснити такими основними причинами:

• збільшенням фактичного напруги плинності зі зростанням швидкості деформації;

Типові епюри технологічних залишкових напруг

Мал. 5.6. Типові епюри технологічних залишкових напруг:

а - після обробки з переважним впливом силового фактора; б - з переважним впливом температурного фактора

• більшою швидкістю деформаційного фронту в порівнянні з фронтом температурним, що передбачає випереджаючий формування дислокаційної картини перед релаксаційним процесом.

Ступінь впливу швидкості деформації на напругу плинності в залежності від діючої температури можна оцінити по табл. 5.2, яка б показала значення коефіцієнта ψ у формулі

(5.11)

де - фактичне напруга плинності; - напруга плинності при стандартних випробуваннях на розтягнення або стиснення.

Таблиця 5.2

Значення коефіцієнта ψ

10

1,05-1,1

1,1-1,15

1,15-1,3

1,3-1,5

100

1,1-1,22

1,22-1,32

1,32-1,7

1,7-2,25

1000

1,16-1,34

1,34-1,52

1,52-2,2

2,2-3,4

Ударне навантаження

1,1-1,25

1,25-1,75

1,75-2,5

2,5-3,5

У табл. 5.2 - відношення швидкості деформації чинного процесу до швидкості деформації при стандартних випробуваннях, і відповідно температура деформації в процесі обробки і температура плавлення матеріалу.

Як показала практика численних експериментальних досліджень різних наукових шкіл по холодній і гарячій обробці матеріалів, найбільш адекватну оцінку фізико-механічних властивостей поверхневих шарів роблять коефіцієнти в двох останніх рядках табл. 5.2.

Реальні значення фізико-механічних параметрів поверхневого шару залежать від великого числа факторів: методу обробки, режимів, наявності СОТС, їх хімічного складу, оброблюваного та інструментального матеріалу, його геометрії, жорсткості технологічної системи, ступеня прояву технологічної спадковості, масштабного фактора і ряду інших причин.

Структура, фазовий і хімічний склад, екзоелектрон паю емісія відносяться до фізико-хімічним параметрам стану поверхневого шару . З структурних параметрів для практичних інженерних задач найбільшого поширення набули розмір зерна і щільність дислокацій. Важливість такого параметра, як розмір зерна d підтверджується відомим виразом Холла- Петч:

(5.12)

де - фактичне напруга плинності матеріалу; с - константа для конкретної марки матеріалу.

Прийнявши до уваги коефіцієнт ψ з табл. 5.2, отримаємо

(5.13)

Таким чином, фактичне значення напруги плинності буде визначено з урахуванням розміру зерна, температури і швидкості деформації в процесі обробки технологічної поверхні.

Що стосується щільності дислокацій, то цей параметр особливо важливий при прогнозуванні довговічності поверхонь, що працюють в умовах втомного зносу і циклічних навантажень в період експлуатації. Це пов'язано з тим, що в цих умовах під дією навантажень і теплових полів відбувається постійне збільшення щільності дислокацій в зернах поверхневого шару і підвищується ймовірність виникнення втомних тріщин.

У свою чергу, ймовірність зародження втомних тріщин пов'язана з щільністю рухомих дислокацій, що досягають будь-якого бар'єру (частіше - кордони зерна). Кількість рухомих дислокацій р 'пов'язано із загальним числом дислокацій р і розміром зерна d співвідношенням, запропонованим В. В. Левітіним:

(5.14)

Ця залежність підтверджує факт зворотній пропорційній залежності щільності дислокацій від розміру зерна металу поверхневого шару.

Критичну щільність дислокацій , перевищення якої веде до руйнування поверхні, з достатньою для практичних завдань точністю можна розрахувати але рівняння

(5.15)

де - коефіцієнт, що дорівнює 0,5-0,7; - межа міцності; G - модуль зсуву; b - вектор Бюргерса.

Зміна фазового складу металу поверхневого шару відбувається під дією високих температур в процесі технологічного впливу.

Так, за даними А. А. Маталін, інтенсивний поверхневий нагрів загартованої сталі може привести до розпаду залишкового аустеніту, переходу тетрагонального мартенситу в мартенсит кубічний або навіть до утворення ферритно-карбідної суміші (троостіт + сорбіт).

Крім того, сильне нагрівання при обробці може викликати відпустку і місцеву вторинну загартування через швидке відведення тепла в глибину матеріалу або йод дією СОТС.

Різні фазові перетворення металу поверхневого шару відбуваються в певних глибинах, температура яких відповідає певним трансформаціям фазового складу.

Так, при відпустці до 400-500 ° С утворюється структура троостита, при відпустці до 500-600 ° С - структура сорбіту, а при відпустці до 600-700 ° С - структура перліту. Фазові перетворення неминуче призводять до структурних змін, що часто виправдовує об'єднання цих факторів під терміном "структурно-фазові перетворення".

Після лезвийной або абразивної обробки поверхневий шар деталі може змінити свій хімічний склад.

Деякими авторами подібні зміни називаються массопереносом. Дослідження А. М. Суліми показали, що причинами цього явища можуть бути наступні: адсорбція елементів різального інструменту в поверхню в процесі обробки; високі температурні градієнти в зоні обробки; відмінність в коефіцієнтах дифузії елементів конструкційних матеріалів; адгезія мікрочастинок матеріалу на різальний інструмент та "розмазування" його по оброблюваної поверхні; "Мікрометалургійних" ефекти, що протікають в процесі масопереносу; адсорбція елементів, що входять до складу СОТС.

З усіх перерахованих причин найбільш істотний вплив на зміну хімічного складу поверхневих шарів надають дифузійні процеси.

В даний час існують в основному дві фізичні моделі дифузії твердих тіл: гетеродіффузія і реактивна дифузія. Перший вид характеризується утворенням твердого розчину з гратами розчинника. Максимальна концентрація дифундують речовини в металі, що грає роль розчинника, не може перевищувати граничну концентрацію згідно діаграмі стану. За другою моделі хімічна реакція може статися з утворенням інтерметалічного з'єднання на кордоні розділу контактуючих тіл. Відомо, що дифузія молекули хімічної сполуки в решітку металу неможлива. У металі дифундують атоми, отримані в результаті дисоціації цих сполук. Тому при дифузійному розчиненні інструментального матеріалу в оброблюваному необхідно розглядати дифузію входять в сплав хімічних елементів.

Кількість речовини dM компонента В , виражене в молях маси речовини, проникло в компонент A , визначається рівнянням:

(5.16)

де D - коефіцієнт дифузії; dc / dx - градієнт концентрації в будь-якій точці; dS - елементарна площа, через яку відбувається дифузія; dt - час дифузії.

Найважливішим параметром, що характеризує дифузію, є коефіцієнт дифузії D , який визначається зі співвідношення:

(5.17)

де D 0 - предекспоненціальний множник, який відповідає коефіцієнту дифузії при температурі, рівній нескінченності; Q - енергія активації, віднесена до молю твердого розчину; R - газова постійна, рівна 8,314 Дж / (моль • К); - температура дифузії, К.

З теорії дифузії відомо, що енергія активації зменшується зі збільшенням різниці порядкових номерів диффундирующего речовини і розчинника в періодичній системі елементів. Це пояснюється більш інтенсивним спотворенням силових нулів при різкій відмінності природи розчиненої елемента від природи розчинника, що і полегшує процес дифузії.

Другим фактором, що визначає коефіцієнт дифузії, є температура, яка при заданих конструкційних матеріалах цілком визначається умовами технологічного впливу на оброблювану поверхню. Як видно з формули, зі збільшенням температури коефіцієнт дифузії збільшується по експоненційної залежності.

Що стосується кількісної оцінки проміжків часу , необхідних для реалізації мікродіффузіонних процесів, то для прикладних розрахунків Η. М. Любарським запропонована наступна залежність:

(5.18)

де - довжина шляху дифузії.

Аналіз цього співвідношення дозволяє переконатися, що для диффундирования речовини на глибину від декількох сотень до декількох тисяч ангстрем потрібні досить малі часові проміжки - від 10-4C і менш. Це свідчить про те, що навіть при високошвидкісних технологічних процесах час дифузії може бути порівнянна з часом контакту інструменту з елементарної майданчиком поверхні заготовки.

Наведені фізичні аспекти переконливо доводять неминучість зміни хімічного складу поверхневого шару в результаті технологічного впливу.

В останній третині XX ст. рядом дослідників для комплексної оцінки фізико-хімічного стану поверхневого шару успішно застосовувався метод екзоелектрон ної емісії.

Терміном "екзоелектронная емісія" (еее) визначають явище нестаціонарної електронної емісії з поверхні твердого тіла, що знаходиться в збудженому стані, при зовнішньому тепловому або світловому стимулюючу дію з енергією нижче порога виникнення стаціонарних емісійних ефектів. До теперішнього часу вважається доведеним факт взаємозв'язку емісійних параметрів з дефектностью матеріалів. Технологічні методи впливу на поверхню, що супроводжуються деформаційними і тепловими явищами, викликають складні фізико-хімічні процеси, що призводять до порушення рівноваги в електронній системі матеріалів. Незважаючи на відмінність фізичної природи трансформацій, що відбуваються в поверхневому шарі в результаті зовнішніх впливів, емісійна реакція зводиться до зниження енергетичного порога. Встановлено також, що метод еее малочувствітелен типу поверхневого дефекту, а служить лише його індикатором. Тому використання його для контролю стану поверхневого шару повинно супроводжуватися дослідженнями взаємозв'язку параметрів еее з закономірностями процесу дефектоутворення в поверхневому шарі. Широке практичне використання методу, на думку В. С. Кортова, обумовлюється рядом особливостей:

  • • відсутністю обмежень, пов'язаних з природою, структурою і властивостями матеріалів;
  • • можливістю отримання інформації як в інтегральної формі з усією контрольованої поверхні, так і локально, з окремих її ділянок;
  • • високою чутливістю до поверхневих дефектів, що дозволяє його використовувати в процесі динамічних випробувань;
  • • вимірювання можуть проводитися в різноманітної атмосфері, широкому температурному інтервалі, після різних зовнішніх енергетичних впливів на поверхню.

Як відомо, реальна поверхня твердого тіла завжди покрита шарами адсорбатов, плівкою оксиду, що призводить до видозміни енергетичного спектра існуючих електронних станів. Внаслідок неоднорідності структури поверхню є джерелом генерування дислокацій, що неминуче позначається на її механічні властивості. Багато дослідників пов'язують це явище з наявністю кордонів зерен і двійників, оксидних плівок, тріщин і т.д.

У прикладних технічних завданнях в основному розрізняють два види еее:

  • 1) фотостимульовані електронна емісія (ФСЕЕ) - емісія, що реєструється в процесі освітлення при постійній температурі;
  • 2) термостімулірованная електронна емісія (ТСЕЕ) - емісія, що реєструється при нагріванні контрольованого об'єкта.

Для виключення високоенергетичного впливу на поверхню в процесі вимірювань використовують ультрафіолетовий зонд видимого випромінювання. Фотостимуляція призводить до делокалізації електронів з пасток, створених дефектами поверхневого шару матеріалу. Світло з енергією кванта , де - енергія оптичної іонізації центру захоплення, викликає або іонізацію центру з спустошенням пастки, або збудження електрона. Незважаючи на те, що в металах є достатня кількість вільних електронів, для виникнення еее необхідні збудження і стимуляція. Для більшості металів і сплавів робота виходу електрона становить 4-5 ЕВ, внаслідок чого еее металів повинна виникати в разі, якщо порушення і стимуляція знижують поверхневий потенційний бар'єр. В тонких оксидних шарах на поверхні металів є структурні дефекти, які, як правило, є центрами локалізації електронів. Ці пастки можуть захопити електрони, що потрапили з підкладки в зону провідності оксиду. Однак в умовах фотостимуляції вони відразу ж спустошуються відповідно до механізму ФСЕЕ.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >