6. Методы исследования свойств поверхностных слоев

Для определения глубины и обсей характеристики поверхностных слоев необработанных заготовок и при грубых методах механической обработки пользуются обычным методом исследования микрошлифов. Мик­ротвёрдость поверхностных слоев исследуют методом вдавливания алмаз­ной пирамиды на приборе ПМТ-3. Наиболее удобно применять микрошлифы, выполненные в виде "косого среза" под углом (см. рис. 93). "Ко­сой срез" получают притиркой, используя пасту ГОИ, что уменьшает возможные изменения поверхностного слоя. Глубина наклёпанного слоя . "Косой срез" может быть использован также для изучения на металломикроскопе высоты шероховатостей. Измеренная та­ким образом высота шероховатостей имеет масштаб увеличения .

Для исследования изменений поверхностного слоя после тонкой обра­ботки пользуются рентгеноструктурным анализом. Остаточные напряжения в поверхностном слое металла при этом определяют, стравливая с пове­рхности образна слои толщиной 5...10 мкм, и после каждого стравливания снимают рентгенограмму. Данный способ длителен и трудоёмок.

Микротрещины в поверхностном слое определяют различными методами дефектоскопии(магнитной суспензии, магнитной индукции, ультразвуком, флюоресценции и др.).

Остаточные напряжения в поверхностных слоях после предварительной и чистовой обработки исследуют, используя методы Н. Давыденкова или Г. Закса. При этом напряжения определяют расчётом по величине деформации образца после снятия с него напряжённого слоя.

Все методы, применяемые для исследования поверхностного слоя, трудоемки и требуют тщательного изготовления образцов и лаборатор­ного выполнения. На поверхности деталей возможно лишь измерение микротвёрдости и шероховатости.

7. Влияние качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей машин

Основная причина (80%) выхода из строя машин - это износ рабо­чих поверхностей сопряжённых деталей. Реже наблюдаются поломки де­талей из-за их некачественного изготовления или конструктивного несовершенства. Уменьшение износа повышает долговечность машин, сохраняет заданную конструктором точность и существенно сокращает расходы на ремонт.

Шероховатость поверхности сущест­венно влияет на трение и износ трущих­ся пар, усталостную прочность деталей, прочность прессовых посадок, коррози­онную стойкость и др.

В начальный момент контакт сопря­жённых поверхностей происходит по вер­шинам отдельных неровностей профиля (рис. 95,а), в результате чего фактиче­ская площадь стыка Fф сказывается значительно меньше расчётной Fp и номинальной Fф= 10-90%Fp. В точках контакта возникают давления, превыша­ющие предел текучести, а иногда и пре­дел прочности материала поверхностей. Под действием этих давлений при непо­движных поверхностях в точках контакта происходят упругое сжатие и пластиче­ская деформация смятия неровностей или их выкрашивание (при контакте хрупких материалов, см. рис. 95,6).

При взаимном перемещении поверхностей происходит срез, отламыва-ние и пластический сдвиг вершин неровностей, приводящий к интенсив­ному начальному износу трущихся деталей и увеличению зазоров в тру­щихся парах. Высота неровностей профиля в период начального износа (приработки деталей) может уменьшаться на 65...75%. Фактическая площадь контакта поверхностей возрастает, а удельное давление падает. Вместе с изменением размеров меняется и форма неровностей, а так­же направление обработочных рисок. Интенсивность износа деталей уменьшается.

Шероховатость поверхностей, образовавшаяся в результате прира­ботки, получила название оптимальной. Уменьшение высо­ты неровностей против оптимального значения приводит к быстрому возрастанию износа. Это объясняется возникновением молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышен­ной гладкости и этому способствуют выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально-чистых поверхностей. Происходят взаимные схватывания металлов, сопровождающиеся местными вырывами частиц. Шероховатость поверхностей увеличивается и приближается к оптимальной.

Конструкторы и технологи стремятся посредством механической обработки создавать поверхности с шероховатостью, близкой к опти­мальной для данных условий трения. Такая шероховатость в процессе износа почти не меняется, а время приработки и изменения началь­ных зазоров оказывается наименьшим .

На величину износа, кроме высоты, оказывают влияние форма не­ровностей профиля и их взаимное расположение. Опыты показывают, что тонкие и многочисленные неровности обеспечивают большую изно­соустойчивость, чем крупные неровности большого шага (рис. 96).

С увеличением числа неровностей, приходящихся на единицу площади, несущая способность поверхности по­вышается, а величина контактных деформаций стыков сокращается.

Со взаимным расположением неров­ностей (обработочных рисок) на кон­тактирующих поверхностях связывают величину коэффициента трения. При сочетании поверхностей, имеющих одинаковое направление неровностей и при их перпендикулярном направлении к движению, коэффициент трения достигает наибольшего значения (рис. 97,а). При взаимно перпендикулярном направлении неровностей трущихся поверхностей (см. рис. 97,6) или при их хаотичном распо­ложении, что наблюдается при суперфинишировании, коэффициент тре­ния минимален. Поэтому в ответственных соединениях направление неровностей может быть оговорено в технических условиях или указано символами ЕСКД.

В ответственных соединениях бывает весьма важно в период приработки со­хранить требуемый характер посадок. Для этого рекомендуется устанавливать необходимую высоту шероховатостей в зависимости от требуемой точности про­ектируемого сопряжения посредством расчёта по экспериментально-статисти­ческим зависимостям при диаметре со­пряжения:

менее 18 мм

;

18...50 мм

;

свыше 50 мм

.

В этих выражениях поле допуска Т и высота неровностей профиля R_Z выражены в микрометрах.

Величиной шероховатости во многом определяется прочность сопряже­нии с натягом. При запрессовке происходит сдвиг неровностей и факти­ческий натяг уменьшается по сравнению с расчётным. Опыты показали, что увеличение шероховатости вдвое (с R_Z = I8 до R_Z = 36,5 мкм) сни­зило прочность прессового соединения ось - ступица вагонного колеса на 40%. При запрессовке с тепловым воздействием неровности профиля не сдвигаются. Прочность таких соединений выше, чем при обычной за­прессовке с тем же натягом.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременной нагрузок. Впадины профиля выполняют функ­цию надрезов поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин, особен­но в местах переходов, канавок, галтелей и др., которые сами по себе являются кон­центраторами. С увеличением шероховатости предел выносливости падает (рис. 98).

С уменьшением величины шероховатости прочность сталей при ударной нагрузке повышается на I5...20% и до 50 раз снижается их хладноломкость. Од­новременно повышается коррозионная стойкость деталей. Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распространяется быстрее на грубообработанных поверхностях. С увеличением неровностей профиля резко возрастает площадь контакта поверхности детали с атмосферной средой; одновременно во впадинах накапливаются водные растворы эле­ктролитов, приводящие к образованию локальных очагов электрохимиче­ской коррозии. Коррозия быстро развивается и в дальнейшем охватыва­ет всю грубообработанную поверхность. На полированных зеркальных поверхностях электролит не задерживается, а площадь контакта с атмо­сферой мало отличается от номинальной. Коррозионная стойкость таких поверхностей значительно выше.

Существенное значение на эксплуатационные свойства деталей имеет деформационное упрочнение (наклёп) металла поверхностного слоя. На­клёп уменьшает сжатие и истирание поверхностей при наличии их непо­средственного контакта и взаимное внедрение поверхностных слоев, возникающее при их механическом и молекулярном взаимодействиях. Уп­рочнение увеличивает диффузию кислорода воздуха в металл поверхност­ного слоя, создавая в нём твёрдые химические соединения FeO, F₂O₃ и Fe₃O₄ , характерные для окислительного износа, протекающего с наименьшей интенсивностью. Упрочнение поверхностных слоев повышает их микротвёрдость и препятствует развитию совместной пластической деформации металлов трущихся деталей, вызывающей холодную сварку - схватывание, которая является наиболее интенсивным видом износа. В целом наклёп, возникающий в результате обработки резанием, уменьша­ет износ поверхностей в 1,5...2 раза. Упрочнение полезно до предела, определяемого свойствами конкретного металла. При дальнейшем упроч­нении поверхности переупрочнённые (перенаклёпанные) и охрупченные зоны металла отслаиваются от его основной массы, начинается шелуше­ние и ускоренный износ.

Упрочнение металла до определённых пределов препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин. Такой слой может значительно нейтрализовать вредное влияние наружных дефектов и шероховатости поверхности, при этом заметно повышаются усталостная и циклическая прочности деталей машин (на 20...30%).

Наклёп поверхности ускоряет коррозию в 1,5...2 раза. Это обуслов­лено тем, что при пластической деформации поликристаллического мате­риала в нём возникают микроскопические неоднородности, способству­ющие образованию часто расположенных очагов коррозии. Наиболее ин­тенсивно коррозия распространяется в зонах плоскостей сдвигов и мест выхода дислокаций на поверхность.

При наклёпе поверхностей роликами или обдувке их дробью происхо­дит завалыцовывание путей проникновения коррозионных сред внутрь металла. Это частично нейтрализует развитие коррозионных процессов и вызываемое ими снижение усталостной прочности деталей.

При нагреве деталей в пластически деформированных слоях, с уве­личенными удельными объемами и уменьшенной плотностью, быстрее про­текают диффузионные процессы, интенсивнее выгорают легирующие эле­менты, что способствует понижению сопротивления металла поверхност­ных слоев отрыву. По этой пгичине при рабочей температуре свыше 600...800°С наклёп поверхностного слоя во многих случаях оказывает­ся вредным, снижающим эксплуатационные качества машин.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей машин влияют на их усталостную прочность. Многочисленные исследования показали, что усталостная прочность очень сильно зависит от величины знака глубины распространения остаточных напряжений поверхностного слоя. Установлено, что сжимающие напряжения поверхностного слоя увеличи­вают предел усталости, а растягивающие - снижают. Например, для твёрдых сталей сжимающие напряжения способны повысить предел уста­лости на 50%, а растягивающие - снизить его до З0%. Изложенное от­носится к поверхностям, испытывающим при работе циклические и зна­копеременные нагрузки. В парах трения уже после 2000 циклов проис­ходит перераспределение остаточных напряжений на контактных поверх­ностях. Получившиеся при обработке, являющиеся по своей природе уп­ругими, остаточные напряжения сжатия или растяжения снимаются. В ре­зультате трения на поверхностях возникают остаточные напряжения сжатия. Величина новых остаточных напряжений зависит от условий трения и пластических свойств трущихся металлов. Они не оказывают никакого влияния на скорость и величину износа при трении скольже­ния, т.е. на работу деталей.