Деформационное упрочнение поверхностного слоя металла в зоне контакта со свободным абразивным зерном

Процесс пластических деформаций, происходящих в металле при обработке, оказывает большое влияние на качество поверхностей деталей. В различных видах абразивной обработки пластическое деформирование оказывает различное влияние на качественные характеристики поверхностного слоя. Степень влияния пластического деформирования зависит от технологических режимов обработки, характеристик абразивного инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

При внедрении вершины абразивного зерна в обрабатываемый металл волны пластического деформирования, охватывают не только срезаемый слой, но и металл, расположенный как впереди по ходу движения инструмента, так и за линией среза. Металл вновь образованной поверхности у самой режущей кромки абразивной частицы подвергается воздействию нормальной сжимающей силы и силы трения, действующей в направлении линии среза. Нормальная сила вызывает деформацию сжатия, а сила трения – деформацию растяжения в поверхностном слое обрабатываемого материала. Таким образом, в процессе микрорезания поверхностный слой обрабатываемой детали подвергается неоднородной пластической деформации, затухающей по глубине слоя. Поверхностный слой металла при механической обработке подвергается упруго-пластическому деформированию под действием нормальных и касательных напряжений, которые изменяют расстояния между атомами и смещают их внутри кристаллической решетки. Эти изменения приводят к упругому искажению кристаллической решетки. Если напряжения в металле достигнут критических значений, то перемещения атомов внутри кристаллической решетки будут значительными. Это вызывает сдвиг или перемещение одной части кристалла по отношению к другой и приводит к пластической деформации.

Процесс пластической деформации сопровождается следующими явлениями: происходит искажение пространственной решетки кристалла и деформация зерен поликристалла, вызывающая остаточные напряжения между отдельными зернами; имеют место измельчение зерен поликристаллов и возникновение на плоскостях скольжения мелких осколков зерен, что приводит к последующему торможению скольжения; изменяется ориентировка зерен за счет вытягивания в направлении деформации образуется текстура.

При абразивной обработке металлов происходит пластическое деформирование поверхностного слоя и наклеп, в результате чего обрабатываемая поверхность упрочняется, повышается ее микротвердость и изменяются физические свойства. Величина наклепа и упрочнения металла зависит от степени пластической деформации его поверхностного слоя, на которую в свою очередь влияют продолжительность воздействия внешних деформирующих сил и пластические свойства деформируемого материала. Поэтому чем выше скорости пластического деформирования поверхностного слоя, тем меньше при прочих равных условиях степень упрочнения поверхностного слоя.

Микротвердость поверхностного слоя обработанных деталей оказывает большое влияние на их эксплуатационные свойства: износостойкость поверхностей при трении, усталостную прочность, контактную выносливость и коррозионную стойкость.

Различно объясняя физическую сущность процесса износа, различные авторы высказывают единое мнение о большом влиянии микротвердости поверхностного слоя на износостойкость поверхностей при трении.  Б.И. Костецкий  считает, что основным видом износа металлов является окислительный. При пластическом деформировании во время наклепа увеличивается диффузия кислорода в металл трущихся поверхностей с образованием твердого раствора кислорода в металле. При предельном насыщении металла кислородом образуются однородные химические соединения с высокой твердостью и хрупкостью, которые уменьшают интенсивность изнашивания.

Несколько иной подход к физической сущности процесса трения дается в работах И.В. Крагельского, где взаимодействие трущихся поверхностей подразделяется на два вида: механическое взаимодействие (внедрение) и молекулярное (притяжение, схватывание).

Отмечается, что молекулярное взаимодействие сопутствует механическому и степень их взаимного проявления зависит от конкретных условий изнашивания. Но для снижения износа необходимо уменьшить взаимное внедрение трущихся поверхностей и ограничить молекулярное взаимодействие для предотвращения схватывания. С этой точки зрения повышение микротвердости в результате наклепа при абразивной обработке способствует уменьшению взаимного внедрения и контактного схватывания, то есть увеличивает износостойкость трущихся поверхностей. Износостойкость упрочненных наклепом трущихся поверхностей зависит не только от первоначальной микротвердости и от конкретных условий эксплуатации. Наклеп оказывается более эффективным в трущихся деталях при эксплуатации их с небольшими скоростями скольжения и нормальными давлениями. При высоких скоростях скольжения и больших давлениях наклеп незначительно влияет на износостойкость деталей, а в отдельных случаях (при работе в особо тяжелых условиях) может и снижать ее.

Количественной связи микротвердости с износостойкостью пока не установлено. Как подчеркивает А.А. Маталин, установить такую универсальную связь весьма сложно, так как резко отличаются условия испытаний материалов на твердость и условия износа деталей при трении. Так, при испытании металла на твердость вдавливанием алмазной пирамиды учитывается только пластическая деформация при статическом действии внешней нагрузки. При износе же имеют место пластическая и упругая деформации, окисление, молекулярное сцепление, скалывание, срез и усталостное разрушение при сочетании статической и динамической нагрузок.

Упрочнение металла в результате наклепа при механической обработке оказывает большое влияние на усталостную прочность деталей машин. При этом наклепанный поверхностный слой детали препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector