Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

ся, т.е. наступает перенаклеп. Последнее является весьма нежелательным,

так как в этом случае резко ухудшаются прочностные свойства обрабаты-

ваемой детали.

Основными показателями, характеризующими деформационное уп-

рочнение являются степень и глубина наклепа. Степень наклепа характе-

ризуется увеличением поверхностной твердости обрабатываемой детали.

%100

где

, Н

– микротвердость поверхности до обработки и после, соот-

ветственно.

В том случае, когда необходимо определить характер распростране-

ния наклепа по глубине, пользуются методом косого среза или послойным

стравливанием. В первом случае, с поверхности исследуемого образца

под углом (1,5…3) снимают некоторый слой металла, используя пасту

ГОИ, это уменьшает до минимума вносимые изменения в поверхностный

слой. Подготовленный образец устанавливают на приборе ПМТ-3 или

ПМТ-5 так, чтобы исследуемая поверхность расположилась горизонталь-

но. Затем алмазной пирамидой при нагрузке (10…100) Гс наносят отпе-

чатки (рисунок 2.10.) измеряют их диагонали и определяют по таблицам

значение микротвердости. Наклепанный слой кончается там, где микро-

твердость для соседних отпечатков оказывается одинаковой. Глубина на-

клепа определяется подсчетом h =  tg .

Рисунок 2.10 – Схема измерения микротвердости на косом шлифе

Во втором случае, поверхность исследуемого образца подвергают

травлению (чаще электротехническому) соответствующим составом хи-

мических реактивов с периодическим замером микротвердости по глуби-

не стравленной поверхности. Преимуществом второго варианта является

отсутствие каких-либо механических воздействий на поверхностный слой

при получении косого среза. Для оценки поверхностной твердости мягких

металлов (алюминий, цинк и др.), мягких гальванических покрытий при-

меняется способ склерометрии (царапания). Исследуемый образец поме-

щается на столик прибора ПМТ-3 и после нагружения его алмазной при-

рамидой нагрузкой (10…20) Гс перемещается со скоростью

(0,01…0,02) мм/с. Образующаяся царапина измеряется с помощью микро-

скопа и по формуле предложенной Е.С. Берковичем, определяется микро-

твердость:

/3708pH

где

– нагрузка на алмазную пирамиду;

– ширина царапины.

В настоящее время для определения степени и глубины наклепа чаще

стали применять метод ренгеноструктурного анализа. С поверхности по-

следовательно стравливаются тонкие слои металла (5…10) мкм и после

каждого стравливания приборами типа УРС-50 снимают рентгенограмму

для изучения, Последовательное стравливание и снятие рентгенограмм

позволяет четко выявить наклеп поверхностного слоя, который на рентге-

нограммах фиксируется в виде размытого кольца. С уменьшением степе-

ни наклепа интенсивность изображения кольца повышается, а ширина

линий уменьшается.

Применение рентгеноструктурного анализа позволяет повысить точ-

ность измерений и исследовать границу между наклепанным и исходным

металлом, хотя четкая граница раздела обычно отсутствует и наблюдают-

ся чередования небольших по размерам зон наклепанного и ненаклепан-

ного металла.

Изменения в слоях металла толщиной менее 5 мкм не улавливаются

рентгеноанализом.. В этих случаях поверхностный слой исследуют мето-

дом структурной электронографии, основанном на дифракции электронов,

позволяющим исследовать строение тончайшего поверхностного слоя

различных материалов.

2.8 Остаточные напряжения и их классификация

Остаточными напряжениями называются напряжения, существующие в

деталях при отсутствии внешних воздействий (силовых, структурных).

Обычно эти напряжения формируются в деталях в процессе их изготовле-

ния и остаются в результате неравномерных упругопластических деформа-

ций и объемных изменений при сварке, термической, механической и по-

верхностной упрочняющей обработках. Остаточные напряжения взаимно

уравновешиваются в пределах определенных объемов материала деталей.

Их принято подразделять на макронапряжения и микронапряжения.

Макронапряжения или напряжения 1-го рода – такие остаточные на-

пряжения, которые уравновешиваются в макрообъемах изделия и охваты-

вают области, соизмеримые с размерами детали. Напряжения 1-го рода

имеют ориентацию, связанную с формой детали, и при нарушении равно-

весного состояния влияют на ее геометрию. Для них допустимо представ-

ление об изотропном материале.

Микронапряжения уравновешиваются в малых объемах металла дета-

ли. Они связаны с анизотропией кристаллов, ориентацией кристаллогра-

фических плоскостей, наличием различных фаз и др. Микронапряжения

подразделяются на напряжения 2-го рода, которые распространяются на

отдельные зерна или группу зерен, и напряжения 3-го рода (субмикроско-

пические), относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла. Мик-

ронапряжения и их влияние на эксплуатационные свойства деталей изу-

чены недостаточно.

В настоящее время наиболее изученными являются макронапряжения:

их формирование и регулирование в процессе обработки, влияние на

прочность, износостойкость и другие эксплуатационные свойства. Поэто-

му их нередко задают в технических условиях чертежей изделия и кон-

тролируют в поверхностном слое после изготовления деталей.

Макронапряжения в деталях, в зависимости от их формы и относи-

тельной траектории движения инструмента при обработке подразделяют

на три вида (рисунок 2.11):

– тангенциальные

( ), действующие в направлении вектора скоро-

сти обработки (резания или ГЩД);

– осевые

(

), действующие в направлении подачи (перпендикуляр-

но вектору скорости);

– радиальные , действующие перпендикулярно обработанной по-

верхности.

Рисунок 2.11 – Виды остаточных напряжений в деталях

Остаточные напряжения по знаку могут быть положительными (рас-

тягивающими) и отрицательными (сжимающими). Растягивающие напря-

жений обычно считаются вредными, так как они снижают конструкцион-

ную прочность, износостойкость, коррозионную стойкость деталей, а

сжимающие напряжения с точки зрения повышения эксплуатационных

свойств деталей – полезными.

Точностные характеристики деталей от действия остаточных напря-

жений ухудшаются.

2.9 Формирование остаточных напряжений в поверхностном слое

При механической обработке деталей резанием или поверхностным

пластическим деформированием в зоне контакта инструмента с изделием

наблюдаются упруго-пластические деформации, сопровождающиеся в

некоторых случаях весьма высокими температурами. Взаимодействие

этих факторов и приводит к возникновению в поверхностном слое детали

остаточных напряжений сжимающего и растягивающего знака.

В общем виде формирование остаточных напряжений можно объяс-

нить следующим образом. При воздействии обрабатывающего инстру-

мента (резца, ролика, шарика) на поверхность обрабатываемого металла в

его поверхностном слое возникают три зоны: зона пластически деформи-

рованного металла (I), зона упругодеформированного слоя (II) и зона ис-

ходного состояния металла (III). Пластически деформированный металл

имеет меньшую плотность, а следовательно, и больший удельный объем

(на 0,3-1,5%) по сравнению с объемом до пластической деформации. Уве-

личению объема пластически деформированного металла (зона I) препят-

ствует связанный с ним недеформированный нижележащий слой II в ре-

зультате чего в I слое возникают сжимающие, а во II слое – растягиваю-

щие напряжения.

Напряженное поле, характер пластических деформаций, уровень, знак

и глубина распространения остаточных напряжений зависят от условий

обработки деталей (режима обработки, геометрии и состояния инструмен-

та, технологической среды, свойств обрабатываемого материала и др.),

характера и вида стружкообразования (при резании). Поэтому механизм

формирования остаточных напряжений в поверхностном слое необходимо

рассматривать с учетом данных факторов.

Уровень остаточных напряжений зависит от величины пластической

деформации Е

и степени упрочнения материала. Чем больше остаточная

деформация, тем выше остаточные напряжения. Максимум остаточных

напряжений ограничивается пределом текучести при сжатии упрочненно-

го материала. Для двухосного напряженного состояния предельная вели-

чина остаточных напряжений определяется соотношением

ост

1,15 .

При обработке пластичных материалов (конструкционных сталей,

цветных и жаропрочных сплавов при

> 1,25) образуется, как прави-

ло, сливная стружка, которая у вершины резца сохраняет прочную связь с

основным металлом. Поэтому частицы металла, сдеформированные у ре-

жущей кромки, увлекаются и вторично деформируются. В результате они

приобретают форму эллипса, большая ось которых приобретает направ-

ление, совпадающее с текстурой стружки, т.е. угол

> 45 . В связи с

этим поверхностный слой сокращается, нижележащие слои материала

этому препятствуют, что обуславливает возникновение в нем растяги-

вающих остаточных напряжений.

Таким образом, если зерна в процессе, деформации вытягиваются под

углом

< 45 в поверхностном слое возникают тангенциальные остаточные

напряжения сжатия, при

> 45 – остаточные напряжения растяжения.

В осевом направлении (перпендикулярном тангенциальному) частицы

материала в поверхностном слое также вытягиваются (шар как бы пре-

вращается в эллипсоид с осью a

> d). При обработке малопластичных

материалов, вследствие экранирующего действия опережающей трещины

элементной стружки, повторные деформации не происходят, и поверхно-

стном слое формируются осевые остаточные напряжения сжатия.

Для пластичных материалов на первом этапе деформирования части-

цы материала также увеличивают свой размер в осевом направлении

вплоть до сечения 4. Однако в дальнейшем, когда под действием напря-

женного поля стружки частицы начинают вытягиваться в направлении

текстуры стружки под углом

, размер их в осевом направлении умень-

шается. Если эти размеры в конце деформации остаются больше исходно-

го, в поверхностном слое возникнут осевые сжимающие остаточные на-

пряжения, если же они становятся меньше исходного мера – возникнут

растягивающие остаточные напряжения.

Практика показывает, что при обработке пластичных материалов рез-

цами > 0 в поверхностном слое формируются осевые остаточные напря-

жения растяжения, а с < 0 за счет увеличении сил резания и уменьшения

угла – остаточные напряжения сжатия.

Под действием тепла, возникающего при механической обработки в

особенности при больших скоростях резания (шлифование), поверхност-

ный слой нагревается и стремится расшириться. Вследствие связи его с

нижними холодными слоями металла в нем создаются температурные

напряжения сжатия. Когда эти напряжения превзойдут предел текучести,

в материале образуется остаточная деформация сжатия. При охлаждении

слой стремится сократиться, но этому препятствуют внутренние холодные

слои металла и в нем возникают остаточные напряжения растяжения. Ве-

личина остаточных напряжений зависит от степени температурной де-

формации, упругопластических и прочностных свойств материала.

Высокие давления и температуры, возникающие в процессе механи-

ческой обработки приводят к структурно-фазовым изменениям (превра-

щениям) в металле поверхностного слоя. Структурные превращения со-

провождаются объемными изменениями. При увеличении удельного объ-

ема (уменьшении плотности) металла поверхностного слоя в нем форми-

руются напряжения сжатия, при уменьшении – остаточные напряжения

растяжения. Так, например, при механической обработке с большими

усилиями или при обработке ППД закаленных сталей происходит распад

аустенита в мартенсит с менее плотной структурой и образуются остаточ-

ные напряжения сжатия. При скоростной обработке и высоких температу-

рах мартенсит преобразуется в тростит или сорбит с меньшим удельным

объемом, образуются остаточные напряжения растяжения.

При поверхностном упрочнении деталей из титановых сплавов с

( + ) структурой частичное превращение -Ti с объемо-центрированной

кубической решеткой в -Ti с гексагональной решеткой приводит к ох-

рупчиванию металла, увеличению его объема и образованию остаточных

напряжений сжатия.

При обработке металлов резанием и пластическим деформированием

одновременно действуют все три фактора: силовой, температурный и

структурно-фазовый. Поэтому, даже если и преобладает какой-либо из

факторов (например, силовой), распределение остаточных напряжений по

толщине поверхностного слоя имеет весьма сложный характер.

2.10 Определение остаточных напряжений

Основными методами, которыми пользуются в настоящее время для

количественной оценки остаточных напряжений в поверхностном слое

деталей, являются механические и рентгеновские. Весьма перспективны

для промышленного применения электрофизические методы, позволяю-

щие определить величину остаточных напряжений по изменению элек-

тромагнитных свойств поверхностного слоя. Для оптически активных

прозрачных материалов или покрытий можно применить поляризацион-

но-оптические методы фотоупругости и фотопластичности..

Механический метод. Механический метод определения остаточных

напряжений впервые был предложен в 1887 г. Н.В. Калакуцким, Даль-

нейшее развитие он, получил в работах Н.Н. Давиденкова,

М.М. Саверина, И.А. Биргера, И.В. Кудрявцева, А.В. Подзея и других ис-

следователей. Наибольшее практическое распространение метод получил

не только из-за своей простоты, но ещѐ и потому, что в нем используются

те же представления о напряжениях и деформациях твердого тела, что и

при прочностных расчетах. Сущность всех механических способов опре-

деления остаточных напряжений сводится к тому, что в исследуемом об-

разце 1 (плоском или другой формы) с обработанной поверхности М (ри-

сунок 2.12) травлением снимается определенный слой металла и тем са-

мым вызывается изменение геометрии образца (величины прогиба f), ко-

торое измеряется с помощью микронного индикатора или индуктивного

датчика, снабженного самописцем.

Рисунок 2.12 –Схема прибора типа «ПИОН» для определения остаточных напряжений:

1 – образец; 2 – микрометр; М – стравливаемая поверхность образца

Величина ( ) стравленного слоя металла рассчитывается с учетом

изменения веса образца (до и после стравления), времени и скорости

травления. Приборы, работающие по приведенной схеме, разработаны

сотрудниками НИАТ и получили название «ПИОН» (прибор измерения

остаточных напряжений). Образцы для исследований вырезаются элек-

троискровым методом из обработанной детали. В случае применения ме-

тодов поверхностного пластического деформирования, например дробе-

ударного упрочнения, используют специальные образцы-свидетели, кото-

рые упрочняются одновременно с обрабатываемыми деталями. Расчет

величины остаточных напряжений проводят по соответствующим зави-

симостям:

)1(

4 f

ост

где

– толщина образца после удаления первого слоя, мм;

– толщина образца до травления, мм;

– база, на которой производится замер прогиба, мм;

– изменение стрелы прогиба образца при стравливании с него

слоя величиной

Травление образцов осуществляют в ванночках с соответствующим

составом кислот. Например, стальные образцы (сталь 30ХТСА и др.) тра-

вятся в (25…30)% растворе азотной кислоты, для титановых сплавов ис-

пользуют смесь, состоящую из (5…20)% серной или азотной кислоты,

(5…10)% плавиковой кислоты, остальное дистиллированная вода. Чтобы

придать травлению направленное действие, поверхности не подлежащие

травлению, покрывают кислотостойкой пленкой клеевого состава (АК 20;

БФ-2 и др.).

В случае исследований полых цилиндрических образцов величину

тангенциальных остаточных напряжений рассчитывают по изменению

ширины его разреза согласно известным методикам. Остаточные напря-

жения в деталях сложной формы (резьбовые поверхности, зубчатые коле-

са, ходовые винты и др.) определяют по изменению радиуса кривизны или

центрального угла криволинейной поверхности, что позволяет получать

точные результаты.

При всей своей простоте и практической достоверности механические

способы определения поверхностных остаточных напряжений имеют

один существенный недостаток: процесс сопровождается обязательным

разрушением исследуемой поверхности детали или образцов.

Рентгеновский метод. Рентгеновский метод определения остаточных

напряжений основан на том, что в поликристаллических телах остаточные

напряжения приводят к различным интерференционным эффектам рент-

геновских лучей, отраженных от поверхности образцов. По смещению

линий на рентгенограммах или дифрактограммах по соответствующим

зависимостям вычисляют величину остаточных напряжений 1-го рода в

поверхностном слое детали. Этот метод не позволяет точно оценить оста-

точных напряжений, так как в отражении участвуют только кристаллы

поверхностного слоя, ориентированные определенным образом, и рентге-

новские лучи, проникая в металл на глубину от 3 до 50 мм, на рентгено-

граммах или рефлектограммах дают осредненное распределение остаточ-

ных напряжений.

Наиболее достоверным является определение рентгенографическим

методом напряжений 2-го и 3-го рода. Метод пригоден и для условий

весьма неоднородного напряженного состояниям. При помощи рентге-

новских лучей производится измерение межатомных расстояний внутри

кристаллической решетки и изменение этих расстояний. Напряжения оп-

ределяются вычислением параметров кристаллической решетки на осно-

вании полученных измерений по формулам, связывающим напряжения с

деформацией решетки.

Электромагнитный метод. Поскольку механические и рентгеновские

методы практически невозможно использовать для непосредственного

измерения остаточных напряжений в деталях машин без их разрушения,

поэтому в последнее время исследователи делали попытки создать прибо-

ры измерения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей,

исключающие этот недостаток.

В ряде НИИ и вузах страны разработаны приборы, в основу которых

положен магнитоизотропный эффект, заключающийся в измерении маг-

нитной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от величины

механических в том числе и остаточных напряжений v. В деталях из нефер-

ромагнитных материалов напряжения могут быть определены посредством

нанесения на исследуемый участок ферролака. Исследованиями установле-

но, что функция = f(

ост

)имеет зависимость, близкую к линейной.

Прибор состоит из генератора синусоидального напряжения с часто-

той f = 50 кГц, датчика, усилителя, блока сравнения, регистрирующего

(или показывающего) микроамперметра, блока питания (стабилизирован-

ного), вспомогательных и коммутирующих органов. Питание прибора

осуществляется от сети переменного тока ~ 220 В или от источника по-

стоянного тока напряжением 26 В. Основным узлом прибора является

датчик, состоящий из пяти катушек: центральной и четырех вторичных,

соединенных последовательно попарно. На каркас катушек намотана про-

волока ПЭЛ-0,1-0,15, с числом витков 600-800 (центральная) и

ПЭЛ-0,06-0,08, с 1800-2000 витков (вторичные). Сердечники катушек вы-

полнены из феррита, магнитопровод изготовлен из карбонального железа

и представляет собой диск с отверстиями для сердечников.

Принцип измерения остаточных или рабочих механических напряжений

состоит в следующем. Датчик устанавливается по отношению к дета-

ли таким образом, чтобы полюса сердечников катушек находились в плоско-

сти, параллельной поверхности детали. Вращая датчик вокруг своей оси,

фиксируют максимальные показания микроамперметра. После этого прибор

переключают на сумму или разность токов и также фиксируют показания

микро амперметра. По полученным показаниям и данным тарировки прибора

определяют напряжения

. На результаты измерения влияют неодно-

родность химического состава и структура материала, термическая обработка

и другие факторы, которые снижают достоверность полученных результатов.

Но несмотря на это, данный метод имеет существенные преимущества перед

другими (механическими, тензометрии), так как исключаются монтажно-

подготовительные работы; меньше затрачивает времени на измерения; не

нарушается целостность поверхности детали.

2.11 Площади контактирования твѐрдых тел и их характеристики

Для осуществления процесса трения твѐрдых тел необходимым усло-

вием является контакт их поверхностей или взаимодействие этих тел. Ха-

рактер явлений, происходящих при контакте поверхностей твѐрдых тел

определяется физико-механическими, химическими свойствами и микро-

геометрией этих поверхностей.

Различают три площади контакта: номинальную, контурную, факти-

ческую (рисунок 2.13).

Понятием «номинальная площадь контакта А

» в расчѐтах пользуются

издавна. Это та площадь, по которой соприкасались бы тела, имей они

идеально гладкую поверхность.

Однако, контакт твѐрдых тел дискретен и пятна фактического контак-

та (∆А

) неравномерно распределены по поверхности. Это связано с шеро-

ховатостью контактирующих поверхностей. Таким образом фактическая

площадь контакта (А) является суммой площадей множества дискретных

малых площадок, расположенных на различных высотах пятен касания в

местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадками

касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микропо-

лости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным ма-

териалом, продуктами изнашивания и т.п.

Фактическая площадь контакта зависит от микро- и макрогеометрии

поверхностей, волнистости, физико-механических свойств поверхностно-

го слоя и от нагрузки. Она составляет от одной десятитысячной до одной

десятой номинальной площади касания, т.е. всей видимой площади об-

разца. Даже при высоких нагрузках фактическая площадь контакта не

превышает 40% номинальной площади. Так, в случае контактирования

стали по стали при давлении 15 МПа отношение площадей составляло 0,2

при обработке поверхности до шероховатости Rа = (1,25…2,5) мкм и

0,35 – при Rа = (0,32…0,63) мкм.

Фактическая площадь контакта возрастает при увеличении нагрузки,

радиуса закругления вершин ее неровностей, уменьшении шероховатости

поверхности; кроме того, она несколько увеличивается при длительном

действии нагрузки. С увеличением упругих характеристик, предела теку-

чести материала и высоты неровностей поверхностей фактическая пло-

щадь контакта уменьшается.

Для двух различных материалов фактическая площадь контакта опре-

деляется физико-механическими свойствами более мягкого материала и

геометрией поверхности более твердого материала.

Вследствие волнистости контактирующих поверхностей фактические

пятна контакта будут возникать преимущественно на вершинах волн. Ка-

ждая такая область, ограниченная контуром, в пределах которого сущест-

вуют фактические пятна контакта, представляет собой элементарную кон-

турную площадку (∆А

). Сумма элементарных площадок представляет

контурную площадь контакта (А