Физико-механические свойства поверхностного слоя это: микротвердость; вид структуры; величина и знак внутренних остаточных напряжений.

Поверхностный слой металла формируется под воздействием больших усилий резания и высоких кратковременных температур в зоне резания.

Поэтому его физико-механические характеристики отличаются от физико-механических характеристик основного металла.

Нижележащий слой также имеет сильно деформированную структуру.

Например: для стальной заготовки после обработки можно выделить три зоны:

поверхностный слой, нижележащий слой и сердцевину.

 

Рисунок 1.3 Структура поверхностного слоя и характер возникающих напряжений

Глубина поверхностного слоя зависит от выбранного метода и режимов обработки.

Под поверхностным слоем детали понимается как сама поверхность, полученная в результате обработки, так и слой материала, непосредственно прилегающий к ней.

Детали работают в разнообразных условиях. В зависимости от назначения изделия и условий его работы детали могут подвергаться коррозионному воздействию, воспринимать большие нагрузки, испытывать контактное взаимодействие с другими деталями и т.д. Поэтому детали должны обладать контактной жесткостью, сопротивлением усталости, коррозионной стойкостью, износостойкостью и другими свойствами, во многом зависящими от качества поверхностного слоя. Например:

- скорость и характер изнашивания детали в значительной степени зависят от высоты неровностей поверхности, их направления, твердости поверхностного слоя и др.;

- прочность неподвижных посадок сопрягаемых деталей непосредственно связана с шероховатостью сопрягаемых поверхностей;

- сопротивление усталости деталей зависит от шероховатости их поверхностей, наличия отдельных повреждений, способствующих концентрации напряжений и т.д.

В связи с изложенным наружный слой детали, как правило, по своим физико-химическим свойствам отличается от свойств основного материала детали. Он формируется при изготовлении и эксплуатации и по глубине может составлять от десятых долей микрометра до нескольких миллиметров. Поверхностный слой характеризуется геометрическими характеристиками и физико-химическими свойствами (рис. 1.2.12).

Под геометрическими характеристиками поверхностного слоя понимают макроотклонение, волнистость, шероховатость и субшероховатость [8].

Макроотклонение 1 поверхности - это неровность высотой 10 ... 10 мкм на всей ее длине или ширине.

 

Рис. 1.2.12. Схема поверхностного слоя детали:

У - макроотклонение; 2 - волнистость; 3 - шероховатость; 4 - субшероховатость; 5 - адсорбированная зона; 6 - зона оксидов; 7 - граничная зона материала; 8 - зона материала с измененными физико-химическими свойствами

Волнистость 2 поверхности - совокупность неровностей высотой примерно 10 ... 10 мкм с шагом большим, чем базовая длина /, используемая для ее измерения.

Под шероховатостью 3 поверхности понимают совокупность неровностей высотой 10 ...!о мкм с шагом меньшим, чем базовая длина, используемая для ее измерения.

Субшероховатость 4 - это субмикронеровности высотой примерно 10...10 мкм, накладываемые на шероховатость поверхности.

Верхняя зона 5 толщиной около 10... 100 мкм-это адсорбированный из окружающей среды слой молекул и атомов органических и неорганических веществ (например, воды, СОЖ, растворителей, промывочных жидкостей).

Промежуточная зона б толщиной примерно 10 ... 1 мкм представляет собой продукты химического воздействия металла с окружающей средой (обычно оксидов).

Гоаничная зона 7 имеет толщину, равную нескольким межатомным расстояниям со значительно измененными кристаллической и электронной структурой и химическим составом.

Зона 8 имеет толщину примерно 10 ... 10 мм с измененными физико-химическими свойствами по сравнению со свойствами основного материала, где под физико-химическими свойствами поверхностного слоя понимают остаточные напряжения, наклеп и структуру.

Поверхностные остаточные напряжения оцениваются макронапряжениями 1-го рода, макронапряжениями 2-го рода и статическими искажениями решетки (напряжения 3-го рода).

Поверхностные напряжения или наклеп оцениваются степенью деформирования, глубиной наклепа, степенью наклепа, градиентом наклепа и макродеформацией решетки.

Структура поверхностного слоя оценивается: размером зерна; плотностью дислокаций; концентрацией вакансий; размером блоков; углом разориентации блоков; размером областей когерентного рассеяния; сред-неквадратическим смещением атомов, вызванным статическими искажениями решетки; среднеквадратическим смещением атомов, вызванным их тепловыми колебаниями.

Влияние физико-механических свойств поверх.слоя на эксплуатац-е свойства деталей машин

Трение и износ детали в значительной степени связаны с высотой и формой микронеровностей.

В начальный момент работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам микронеровностей, при этом фактическая поверхность очень мала и в точках контакта по вершинам возникают очень большие давления, которые превышают σТ и σВ поверхности.

Под действием этих давлений в точках контакта происходит упругое сжатие и пластическое смятие выступов, а при относительном перемещении ― сдвиг, срез и отламывание вершин неровностей, что приводит к интенсивному начальному износу в начальный период времени и увеличению зазора в контакте.

001 ― начальный износ

0102 ― нормальный износ

0203 ― интенсивный (катастрофический) износ

Во время начального износа идёт приработка поверхностей, происходит изменение размеров и формы неровностей, и направление приработочных рисок. При этом величина рисок увеличивается или уменьшается до некоторого оптимального значения, которое различно для разных условий трения. Поскольку зона контакта является самоорганизующейся системой, то она для себя создаёт оптимальную высоту микронеровностей с целью увеличения длительности своего существования.

Если оптимальную высоту микронеровностей сопрягаемых поверхностей создать при механической обработке, то время приработки и величина износа становятся минимальными:

Если RZ > RZопт, то износ увеличивается за счёт увеличения механического зацепления, скалывания и среза микронеровностей.

Если RZ < RZопт, то износ увеличивается за счёт адгезионного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости. Этому также способствует выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально чистых поверхностей.

Значение оптимальных RZ :

Для dсопряж > 50мм, RZопт = (0,1 – 0,15)T, где T ― допуск на размер.

Для dсопряж = 18 – 50мм, RZопт = (0,15 – 0,20)T

Для dсопряж < 18мм, RZопт = (0,20–0,25)T

Усталостная прочность детали сильно зависит от величины RZ поверхности. Наличие на поверхности детали работающих в условиях циклических и знакопеременных нагрузок отдельных дефектов и неровностей, способствует концентрации напряжений, которые могут превышать σВ металла. В этом случае неровности и впадины являются источниками зарождения усталостных трещин.

Влияние упрочнения на износ: упрочнение поверхности детали снижает смятие и истирание поверхности, уменьшает взаимное внедрение поверхностей, увеличивает диффузию кислорода в поверхностный слой, создавая в нём твёрдые окислы металла, препятствует развитию совместной пластической деформации, что уменьшает адгезионное схватывание их и износ уменьшается. Но упрочнение эффективно до определённого значения, т.к. чрезмерное упрочнение приводит к разрыхлению поверхностного слоя, т.е. разрыву межатомных связей и появлению микротрещин.

Переупрочнение называется перенаклёпом. При этом переупрочнённые слои отслаиваются от основного металла, начинается шелушение и износ увеличивается.

Влияние остаточных напряжений на износ: в самом начале процесса трения детали остаточные напряжения поверхностного слоя снимаются под действием протекающих пластических деформаций, не успевая оказать заметного влияния на износ. Одновременно в поверхностном слое в результате трения возникают остаточные напряжения сжатия, которые в ряде случаев снижают износ.