Вплив стану поверхні

Стан поверхневого шару деталі, яка знаходиться під дією циклічних навантажень, може суттєво вплинути на значення границі її витривалості.

Це пояснюється наступними факторами:

§ поверхневий шар деталі знаходиться в особливих енергетичних умовах. Атоми на його поверхні мають односторонній зв’язок з основним масивом деталі, внаслідок чого їх стан є нерівнозваженим. Вони мають збільшену енергію і активно сприяють процесам окислення та адсорбції, що значно погіршує стан поверхні.

§ у поверхневому шарі проявляються значно сильніше ніж у масиві деталі наслідки механічної, термічної, хімічної та інших видів обробки, що використовуються в процесі виготовлення деталі.

§ через поверхню деталі в процесі експлуатації здійснюється контакт з агресивною зовнішньою середою або з іншими деталями, в результаті чого поверхневий шар піддається корозії, зношенню, контактному пластичному деформуванню.

Якісні показники поверхневого шару деталі залежать від чистоти механічної обробки, фізичного стану поверхневого шару, а також від його напруженого стану і залишкових напружень, які виникають в процесі виготовлення деталі.

Поверхня деталі майже завжди має дефекти, спричинені її механічною обробкою. На рис. 24 показана профілограма поверхні деталі (з багаторазовим збільшенням), після її чорнового оточення на токарному верстаті.

Рисунок 24 – Профілограма поверхні деталі

Висота нерівностей профілю зменшується зі зростанням чистоти обробки. Наприклад, для дзеркального полірування наближається до нульових позначок ().

Кожна впадина профілограми поверхні в поєднанні з дефектами структури матеріалу може бути ініціатором початкової мікротріщини при появі розтягуючих або дотичних напружень певного рівня. Особлива небезпека з’являється у разі згинання і кручення деталі, бо максимальні напруження діють саме в її поверхневому шарі.

Факт появи і подальшого розвитку тріщин з поверхні деталі підтверджується багатьма експериментами.

Фізичний стан поверхневого шару деталі формується під дією пружньопластичної деформації і місцевого нагрівання, які виникають в зоні різання або шліфування. Він залежить також і від подальших теплових, механічних, хімічних та інших видів фінішних обробок.

Процеси первинної обробки (різання, шліфування) пов’язані з пластичним деформуванням поверхневого шару, яке супроводжується значним виділенням тепла. В результаті такої обробки поверхневий шар має деформаційне зміцнення (наклеп). Механічні характеристики поверхневого шару значно відрізняються від аналогічних характеристик внутрішнього об’єму метала. У деформованому поверхневому шарі, як правило, зростають характеристики опору деформуванню і руйнуванню – границі пружності, текучості, міцності, підвищується твердість. Водночас, знижуються характеристики пластичності – відносне подовження і звуження, тобто зростає крихкість матеріалу. Змінюються також і фізичні властивості поверхневого шару – збільшується електричний опір та залишковий магнетизм.

Здатність опору змінним навантаженням у поверхневому шарі визначається залишковими напруженнями, які виникають внаслідок механічної, термічної і хімічної обробки деталі. Система залишкових напружень в об’ємі деталі є рівнозваженою. Тому при їх дослідженні важно знати не тільки їх значення, а і характер розподілу по глибині деталі. Особливе значення має знак залишкових напружень: розтягують вони поверхневий рельєф деталі чи стискають.

З метою поліпшення характеристик опору втомленості матеріалу треба забезпечити у поверхневому шарі залишкові напруження стиску. Однак, в залежності від видів та режимів обробки, можна отримати у поверхневому шарі деталі залишкові напруження різних знаків, інтенсивності і глибини.

Наприклад, при обробці деталі точінням, в залежності від подачі різця (при постійній глибині і швидкості різання) розподіл залишкових осьових напружень по глибині деталі наведено на рис. 25.

	1. S = 0,05 мм/об 2. S = 0,25 мм/об 3. S = 2,0 мм/об
Рисунок 25 – Розподіл залишкових осьових напружень по глибині деталі

Як видно з рис. 25, в залежності від режиму обробки, на поверхні деталі можуть діяти значні залишкові напруження розтягу та стиску, які зменшуються і змінюють знак віддаляючись від поверхні, згідно з умовами рівнозваженості.

Механізм виникнення залишкових напружень є достатньо складним. Він пов’язан з двома основними факторами: пластичною деформацією від тиску обробного інструмента на деталь та рівнем температури і її градієнтом в об’ємі деталі.

Пластична деформація поверхні деталі призводить до зменшення щільності металу або (що теж саме) до зростання його питомого об’єму. Пластично деформований шар метала не має можливості вільного розширення в об’ємі (цьому заважає недеформований метал деталі), тому у поверхневому шарі деталі з’являються напруження стиску, а у внутрішній частині – розтягу.

Нагрівання поверхневого шару металу при його механічній обробці веде до появи температурних напружень. В залежності від рівня температури метал може знаходитись або в пружному, або в пластичному стані. Граничну температуру переходу з одного стану в інший можна орієнтовно прийняти 450^оС для вуглецевих сталей і 550^оС для легірованих. Якщо температура поверхневого шару менша ніж , то температурні напруження є тимчасовими і зникають при охолодженні деталі. У разі перевищення температурою позначки , при охолодженні поверхневого шару (який втрачає температуру швидше, ніж внутрішній об’єм деталі), з’являється опір його скороченню з боку внутрішніх шарів деталі. Це призводить до виникнення залишкових напружень розтягання у поверхневому шарі і, відповідно, стискаючих напружень в більш віддалених від поверхні шарах матеріалу.

Оскільки обидва фактори діють одночасно, знак залишкових напружень залежить від їх співвідношення. Так при збільшенні подачі різця S (див. рис.25), температура в зоні різання швидко зростає і залишкові напруження на поверхні деталі із стискаючих (крива 1) перетворюються у напруження розтягу (крива 3).

Щоб уникнути залишкових розтягуючих напружень провадять додаткові обробки поверхні для її зміцнення, такі як обкатка роликами, обдувка дріб’ю, поверхнева закалка, азотування та цементація. Результати іспитів додатково оброблених деталей свідчать, що границя витривалості у цьому разі зростає значно більше, ніж при пластичному деформуванні, яке має місце при первинній механічній обробці деталі. Ефект зміцнення поверхні зростає, якщо деталь має будь-який технологічний концентратор напружень.

Вплив стану поверхні деталі на витривалість оцінюється за допомогою коефіцієнта шорхості, який є відношенням границі витривалості зразка з визначеною обробкою поверхні до границі витривалості еталонного зразка, поверхня якого дзеркально відполірована:

. (38)

Відповідність технологічної обробки поверхні деталі та величин шорхості поверхні () наведені в таблиці 11 додатку 8. Залежність коефіцієнтів від межі міцності при різних видах обробки подана графіком того ж додатку.

Як свідчать дані додатку 8, границя витривалості при чорновому обточувані зменшується порівняно з еталонною обробкою майже на 40 відсотків. Для високоміцних легірованих сталей цей ефект ще більш помітний. Тому, для деталей, виготовлених з якісної сталі, треба призначати кращу чистоту обробки поверхні.