6.8. Деформационное упрочнение (наклёп)

По значимости следует различать упрочнение поверхностного слоя детали и упрочнение материала срезаемого слоя, находящегося впереди лезвия инструмента. Первое оказывает влияние на служебные свойства детали, а второе – на протекание процесса резания.

Упрочнение поверхностного слоя детали обусловлено тем, что пластическая деформация, ограниченная зоной стружкообразования, проникает за линию среза в слой материала, лежащий под обработанной поверхностью. Кроме этого, задняя поверхность дополнительно деформирует поверхностный слой.

Упрочнение срезаемого слоя происходит в процессе его деформации и охватывает слой материала, лежащий под поверхностью резания.

Упрочнение принято оценивать двумя показателями: степенью и глубиной упрочнения. Они определяются экспериментально. На практике применяются следующие методы исследования упрочнения: метод косых срезов, рентгеноструктурный анализ, металлографический анализ поверхностного слоя.

Метод косых срезов более прост, не требует специального оборудования и наиболее распространен. Он применяется для исследования упрочнения на образцах. Для этого изготовляют образцы и производят обработку исследуемой поверхности при заданных факторах. С целью увеличения протяженности упрочненного слоя и обеспечения тем самым возможности измерения его твердости, срезают часть образца по плоскости, наклоненной под углом к исследуемой поверхности (см. рис.6.24).

Рис.6.24. Образец с косым срезом

для измерения микротвёрдости

Обрабатывают образец по этой плоскости методами, дающими минимальное упрочнение: шлифованием, притиркой и доводкой мелкозернистыми алмазными порошками. Затем измеряют микротвёрдость материала образца по этой плоскости на приборе модели ПМТ-З (прибор для измерения микротвёрдости). Данный прибор работает по методу вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине и последующего измерения диагонали полученных отпечатков с помощью оптического микрометра. По величине силы вдавливания, которая задается гирями 1 (см. рис.6.25) весом от 0,05Н до 2Н и размеру диагонали отпечатка d, приложенным к прибору, определяют микротвердость Н_μ. Поскольку размеры диагонали отпечатков обычно весьма малы и составляют 0,02…0,05 мм, их рассматривают и измеряют при увеличении до 500 раз.

Рис.6.25. Схема устройства прибора ПМТ – 3 для измерения микротвердости: 1 – гиря; 2 – алмазная пирамида	Рис.6.26. Изменение микротвердости по плоскости косого среза

Результаты измерения целесообразно представлять в виде графика (см. рис.6.26), из которого определяется степень ε_Н и глубина упрочнения Δ_Н:

, Δ_Н = _Н sin α,

где Н_μП, Н_μи - соответственно микротвердость материала на поверхности и исходная;

- длина участка исследуемой поверхности косого среза с повышенной твердостью.

Физическая сущность деформационного упрочнения заключается в следующем.

В начальный момент пластическая деформация происходит путем движения дислокаций вдоль плоскостей скольжения или двойникования, расположенных наиболее благоприятно по отношению к внешней деформирующей силе. При этом после некоторого перемещения движущиеся дислокации на своем пути встречают препятствия в виде других дислокаций, расположенных менее благоприятно по отношению к внешней деформирующей силе. Дислокации-препятствия тормозят движущиеся дислокации и последние останавливаются. Прекращается пластическая деформация, происходившая за счет движения наиболее благоприятно расположенных дислокаций. Для продолжения пластической деформации необходимо увеличение внешней деформирующей силы, которое вызвало бы движение других дислокаций вдоль плоскостей скольжения, расположенных менее благоприятно. Так последовательно за счет увеличения деформирующей силы все новые и новые дислокации увлекаются в движение по множеству пересекающихся плоскостей скольжения. В местах пересечения плоскостей скольжения движение дислокаций останавливается и для непрерывного продолжения пластической деформации необходимо непрерывное увеличение внешней силы.

Процессу деформационного упрочнения всегда сопутствует разупрочнение, т.е. исчезновение препятствий движению дислокации вследствие диффузионного перемещения атомов и перестройки кристаллической решетки. Разупрочнение происходит тем быстрее и полнее, чем выше температура нагрева материала и время выдержки материала при этой температуре. Разупрочнение происходит почти мгновенно при температуре нагрева, близкой к температуре рекристаллизации θ_р. По А.А. Бочвару последняя определяется по абсолютной шкале температуры через температуру плавления θ_пл:

θ_р = 0,4 θ_пл,

Для обрабатываемых легкоплавких металлов и сплавов: алюминиевых, медных, магниевых и других – температура рекристаллизации близка к комнатной, и в процессе пластической деформации за счет нагрева и тепла окружающей среды в этих материалах разупрочнение происходит полностью. Иначе дело обстоит при обработке сталей и жаропрочных сплавов, для которых температура рекристаллизации намного превышает комнатную. Поэтому стали, и особенно жаропрочные сплавы, при обработке резанием получают значительное упрочнение, что является основной причиной плохой обрабатываемости резанием последних. Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующее положение о влиянии факторов процесса резания на упрочнение: увеличение фактора способствует деформационному упрочнению, если это увеличение снижает температуру резания, время протекания пластической деформации.

Хотя упрочнение поверхностного слоя детали обеспечивает повышение ее износоустойчивости и несущей способности, что является положительным фактором, однако снижает коррозионную устойчивость материала. Учитывая, что упрочнение при обработке резанием - стихийное, сопутствующее явление, параметры которого практически невозможно оптимизировать, следует считать, что упрочнение, сопровождающее процесс резания, - нежелательное явление, затрудняющее обработку резанием.