слоя детали

При обработке детали в поверхностных ее слоях формируется но­вая структура, физико-механические свойства которой отличаются от свойств основного металла.

Механическая обработка детали сопровождается пластической деформацией поверхностных слоев и частичным упрочнением (наклепом). В результате наклепа увеличиваются пределы прочности и текучести, уменьшаются показатели пластичности материала в поверхностном слое детали. Упрочненный слой имеет искаженную кристаллическую решетку, неоднородно распределенные внутренние напряжения между отдельными зернами, неустойчивые, неуравновешенные положения атомов, упругие искажения плоскостей скольжения кристаллов. Все это вызывает структурно-неустойчивое состояние металла, вследствие которого после окончания механической обработки происходит разупрочнение («отдых»), возвращающее металл в более устойчивое состояние. Разупрочнение повышается при увеличении температуры и продолжительности отдыха, а также при возрастании степени упрочнения и внешних напряжений.

Физические свойства поверхностного слоя отличаются от свойств основного металла детали еще и вследствие того, что при взаимодействии с окружающей средой на поверхности металла образуются тончайшие пленки окислов, значительно влияющие на силу трения. Эти пленки прочно связаны с основным металлом и имеют различную толщину, зависящую от вида основного металла и окружающей среды.

При обработке поверхностей большое влияние на их физические свойства оказывает процесс теплообмена детали с окружающей средой. Под действием теплоты, образующейся при взаимодействии режущего инструмента и детали, происходит вторичная закалка обрабатываемого слоя металла (рис. 3.12, зона О-а), а на некотором удалении от поверхности - отпуск закаленного слоя (зона а—б). Далее сохраняется твердость основного металла (зона справа от точки б).

При механической обработке в поверхностных слоях деталей возникают остаточные напряжения. Они являются следствием как механических воздействий, так и термических процессов, сопровождающих обработку детали.

При механической обработке детали недеформированные нижние слои материала препятствуют распространению зоны пластической деформации верхних слоев.

Рис. 3.12. Изменение микротвердости поверхностного слоя детали из закаленной стали 45 при обработке со скоростью 135 м/мин

Вследствие этого в поверхностном слое возникают сжимающие, а в сердцевине - растягивающие остаточные напряжения. Стружка, отделяясь от обрабатываемой поверхности под действием инструментов, вытягивает верхние волокна поверхностного слоя, что вызывает упругую и пластическую деформацию растяжения в направлении резания. Этот процесс ведет к увеличению остаточных напряжений сжатия верхних слоев волокон и растяжения волокон сердцевины.

Увеличение температуры, сопровождающее механическую обработку деталей, также вызывает остаточные напряжения. При нагрева­нии поверхностного слоя его объем увеличивается. Холодные ниже­лежащие слои препятствуют этому. При охлаждении объем металла поверхностного слоя уменьшается. В этом случае материал сердцевины препятствует сжатию. Так, в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине — сжатия. При выравнивании температуры напряжения не исчезают, так как степень пластичности охлажденного материала недостаточна для пластических деформаций. Внутренние напряжения, возникающие в поверхностном слое материала вследствие тепловых процессов,

где t₂, t₁, — исходная и максимальная температуры поверхностного слоя; а — коэффициент линейного расширения материала детали; Е — модуль упругости материала, соответствующий температуре нагрева поверхностного слоя.

Структура поверхностного слоя материала детали, формирующаяся в результате механической обработки (рис. 3.13, б), может быть представлена в виде пяти слоев:

• первый — адсорбированный слой, состоящий из пленки влаги,
газов и загрязнений, l₁ = (0, 2·10^-3 ÷ 0, 3÷ 10^-3) мкм;

• второй — слой окисла, имеющий повышенную твердость и износостойкость, l₂ = 0, 002 ÷ 0, 5 мкм;

• третий — слой с сильно деформированной кристаллической решеткой, l₃ = 1, 5÷ 5 мкм; для этого слоя характерно наличие ориентированных в определенном порядке зерен;

• четвертый — более глубокий слой с искаженной кристаллической решеткой, l₄ = 0, 2÷ 50 мкм; для этого слоя характерно наличие большого числа вакансий и дислокаций;

• пятый — слой металла с исходной структурой.

Первый слой образуется в результате притяжения (адсорбции) полярно-активных молекул смазочного материала, влаги, газов и других веществ, находящихся в зоне трения. Этот слой представляет собой рыхлую мономолекулярную пленку, толщина которой зависит от параметров шероховатости поверхности, материала детали и окружающей среды.

Второй слой формируется в результате химического взаимодействия материала детали с окружающей средой. Окислительные процессы, развивающиеся в верхнем слое материала, вызывают образование тонких окисных пленок, обладающих, как правило, повышенной твердостью (см. рис. 3.13, а) и износостойкостью. В результате воздействия внешней среды и знакопеременных нагрузок пленка приобретает пористую структуру и рельеф, характерный для условий работы детали.

Третий и четвертый слои образуются в результате пластической деформации и наклепа металла под действием сил резания в процессе механической обработки поверхности и сил трения при взаимодействии деталей сопряжения. Наклеп приводит к изменению физико-механических свойств металла. В третьем слое, сдвиг зерен металла и искажение кристаллической решетки обусловливают значительное повышение микротвердости материала по сравнению с исходным значением (см. рис. 3.13, а). Большое число вакансий и дислокаций, возникших в четвертом слое в результате наклепа, приводит к уменьшению микротвердости металла.

Рис. 3.13. Схема структуры поверхностного слоя материала детали: а — изменение микротвердости Н по глубине слоя материала; б — структура материала детали

Толщина наклепанного слоя, а также соотношение третьего и чет­вертого слоев зависят от способа и режима механической обработки по­верхности. Например, при точении толщина упрочненного слоя металла составляет до 20 мкм, в то время как абразивная доводка или суперфини­ширование обеспечивают толщину слоя наклепа около 1, 5 мкм.

Правильно выбранные способы и режимы обработки детали (механической, химико-термической или лазерной) позволяют значительно повысить долговечность сопряжения. Например, в результате упрочнения поверхности регулировочного болта толкателя топливного насоса термодиффузионным хромированием увеличивается ресурс сопряжения болт—пята плунжера в 10 раз.