2.2.3. Физико-химическое состояние поверхностного слоя и его параметры

Физико-химическое состояние поверхностного слоя в основном определяет­ся методами металлографии. При этом оценивают параметры:

• деформированного состояния;

• упрочнения поверхностного слоя;

• напряженного состояния;

• структуры поверхностного слоя (размеры и форма зерен и блоков, плот­ность дефектов кристаллического строения);

• фазового состава (число, концентрация и распределение фаз, тип кристал­лической структуры фаз);

• химического состава (концентрация легирующих элементов в поверхност­ном слое).

Могут использоваться и другие параметры, например энергетическое со­стояние, степень очистки.

Деформированное состояние поверхностного слоя может оцениваться сте­пенью деформации е, глубиной деформированного слоя h_ε, градиентом дефор­мации по глубине слоя G_ε.

Применительно к тонкому поверхностному слою, который образуется, на­пример, при механической обработке, определить эти параметры весьма сложно и трудоемко. В частности, их можно рассчитать по степени деформации отдель­ных зерен, находящихся на различной глубине от поверхности, по фотографиям шлифов с выявленной травлением микроструктурой. Для сложнолегированных многофазных сплавов, имеющих мелкозернистую или игольчатую структуру, определить эти параметры практически невозможно.

Оценку упрочненного состояния поверхностного слоя выполняют при кон­троле и оптимизации технологических режимов механической обработки и по­верхностного упрочнения, используя следующие характеристики:

• степень упрочнения и_н, т. е. относительное увеличение твердости поверхностного слоя в результате технологического воздействия на него:

(H_μо и H_μс — микротвердости обработанной поверхности и сердцевины материа­ла соответственно);

• глубину упрочненного слоя h_y;

• градиент упрочнения G_y.

Для их определения используют специальные методики. Например, для опре­деления степени и глубины упрочнения — метод косых шлифов, когда с поверхно­сти под определенным углом α удаляют слой материала (рис. 2.17), затем измеряют микротвердость вдоль шлифа и строят ее зависимость от глубины снятого слоя. По этой зависимости определяют u_ни h_y. Использование косых шлифов позволяет вы­полнить измерения микротвердости по глубине тонкого упрочненного слоя.

Градиент упрочнения можно определить из эпюры распределения микро­твердости по глубине слоя. На рис. 2.18 приведены различные эпюры, которые могут быть в разных условиях обработки поверхностей. Градиент упрочнения Gyможет быть определен для любой точки, огибающей эпюры микротвердостипо касательной, проведенной в данной точке:

Для эпюры, показанной на рис. 2.18, в, градиент упрочнения у поверхности положителен. Это означает, что микротвердость на поверхности ниже, чем в бо­лее глубоких слоях. Положительного градиента твердости иногда специально добиваются в парах трения, чтобы избежать схватывания и глубинного вырыва­ния материала из поверхности, возникающего в тех случаях, когда образующие­ся при трении адгезионные связи оказываются более прочными, чем материалы сопряженных деталей.

Остаточными принято называть внутренние напряжения, которые возни­кают в детали в результате технологического воздействия (сварки, термической, механической и упрочняющей обработки) или в процессе эксплуатации.

Остаточные напряжения уравновешиваются в пределах определенных объ­емов материала деталей. Их условно подразделяют на макронапряжения и мик­ронапряжения.

Макронапряжения, или напряжения первого рода, уравновешиваются в пре­делах отдельных элементов или всей детали, а микронапряжения — в малых объемах. Микронапряжения подразделяют на напряжения второго рода, которые действуют в пределах одного зерна, и третьего рода (субмикроскопические), вы­званные искажениями атомной решетки вследствие дислокаций и других дефек­тов кристаллического строения.

Остаточные напряжения могут быть положительными (растягивающими) и отрицательными (сжимающими). Растягивающие напряжения опасны, поскольку снижают конструкционную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость деталей, а сжимающие — полезны.

Возникновение остаточных напряжений обусловлено следующими основ­ными причинами:

• неравномерностью пластической деформации;

• неравномерностью нагрева детали;

• фазовыми превращениями на отдельных участках или поверхностях.

Рассмотрим механизмы формирования остаточных напряжений на примере резания. В данном случае происходят неравномерная пластическая деформация поверхностного слоя и его нагрев в результате тепловыделения. Остаточные на­пряжения при механической обработке формируются в результате неравномер­ного комплексного воздействия силового и теплового факторов. Часто один из них является превалирующим, а другой сопутствующим, что и определяет знак и значение остаточных напряжений на поверхности детали.

Упрощенно механизм формирования остаточных напряжений при резании можно представить следующим образом. Вследствие трения между задней по­верхностью инструмента и образуемой поверхностью детали ее внешний слой подвергается пластической деформации, а слои металла, лежащие ниже, упруго растягиваются. После прохождения резца упруго растянутый внутренний слой стремится сжаться, чему препятствует наружный пластически деформирован­ный слой. В результате во внешнем слое формируются напряжения сжатия, а во внутреннем — растяжения. Эти процессы поясняет диаграмма деформирования, приведенная на рис. 2.19.

Уровень остаточных напряжений зависит от пластической деформации ε_п и степени упрочнения материала. Чем больше остаточная деформация, тем выше остаточные напряжения. Максимум остаточных напряжений ограничивается пределом текучести при сжатии упрочненного материала. Для двухосного на­пряженного состояния предельное значение остаточного напряжения определя­ется соотношением

σ_ост≤1,15 σ_тупр,

где σ_тупр— предел текучести упрочненно­го пластической деформацией материала.

Локальный нагрев поверхностного слоя приводит к противоположному ре­зультату. Внешний слой металла, нагрева­ясь, удлиняется, однако этому препятст­вуют более холодные внутренние слои. В результате объемы материала на поверхности подвергаются сжатию, а внутренние слои — растяжению. При достаточно ин­тенсивном нагреве напряжения на поверхности могут превзойти предел текучести материала, что приведет к пластической деформации сжатия на­ружного слоя металла. При охлаждении внешний слой будет сжиматься до размеров, меньших перво­начального на значение пластической деформации сжатия. Этому противодействует внутренний слой. В результате во внешнем слое возникнут напряжения растяжения, а во внутреннем — напряжения сжатия.

Описанный механизм формирования остаточных напряжений при поверхностном нагреве поясняется схемой, приведенной на рис. 2.20.

О чевидно, что значение формирующихся оста­точных напряжений зависит от степени температур­ной деформации ε_t упругопластических и прочност­ных свойств материала. Для плосконапряженного состояния напряжения, возникающие в поверхностном слое при нагреве поверх­ности, можно оценить из зависимости

где t_ф — средняя температура по сечению детали; t — температура на поверхно­сти; Е_t— среднее значение модуля упругости; α_t — среднее значение коэффи­циента линейного расширения для интервала от t_ф до t; μ— коэффициент Пуас­сона.

Считают, что тепловой фактор в формировании остаточных напряжений при лезвийной обработке не главный, а лишь откладывает отпечаток на действие силового. Это подтверждается тем, что обычно на поверхности формируются напряжения сжатия. Напротив, при шлифовании превалирует тепловой меха­низм образования остаточных напряжений (возникают напряжения растяжения).

В общем случае напряженное состояние, характер и степень пластических деформаций, уровень тепловыделения и, как следствие, знак, значение и глубина распространения остаточных напряжений зависят от условий резания (режима обработки, геометрии и состояния инструмента, свойств материала).

Другой причиной возникновения остаточных напряжений является увели­чение вследствие технологического воздействия числа дефектов кристалличес­кого строения, приводящее к росту объема материала в поверхностном слое на 0,5...1,5 %, что обусловливает появление сжимающих остаточных напряжений.

Высокие давления и температуры при механической обработке и других способах технологического воздействия вызывают фазовые превращения в ма­териале поверхностного слоя. Например, превращение аустенита в мартенсит приводит к увеличению объема материала, следовательно, к формированию на­пряжений сжатия. При высоких температурах мартенсит преобразуется в троостит или сорбит с меньшим удельным объемоми возникают остаточные напряжения растяжения. Обработка деталей из титановых сплавов с (α + β)-структурой может сопровождаться час­тичным превращением β-Ti с объемно-центри­рованной кубической решеткой в α-Ti с гекса­гональной решеткой, что влечет увеличение объема и образование остаточных напряжений сжатия.

Макронапряжения в детали в зависимости от ее формы и относительной траектории движения инструмента при обработке подразделяют на три вида: тангенциальныеσ_τ(σ_ɵ), дейст­вующие в направлении вектора скорости реза­ния или пластического деформирования; осевые σ₀ (σ₂) — в направлении подачи (перпендикулярно вектору скорости); радиальные σ_Г— перпендикулярно обра­ботанной поверхности (рис. 2.21).

В материалах могут действовать микронапряжения, обусловленные дефек­тами кристаллического строения (наличием дислокаций, вакансий, растворен­ных атомов и атомов внедрения). Такие напряжения уравновешиваются в преде­лах нескольких параметров кристаллической решетки. Скопления дефектов, на­пример дислокаций при их торможении у границ зерен, атомов внедрения или инородных включений, могут создавать значительные микронапряжения, спо­собные приводить к образованию микротрещин и снижению прочностных свойств материала.

Остаточные напряжения влияют на прочность и другие эксплуатационные свойства, поэтому их задают в технических условиях на чертеже деталей и кон­тролируют значение, знак и распределение по глубине поверхностного слоя. Кроме того, они снижают точность деталей. Неравномерность релаксации оста­точных напряжений из-за различий их значений в разных участках деталей вы­зывает упругую деформацию детали, изменение ее геометрической формы (ко­робление) и размеров. Внешние нагрузки и нагрев деталей в процессе эксплуа­тации ускоряют эти процессы. Для стабилизации формы деталей применяют технологические процессы, обеспечивающие минимальные остаточные напря­жения, специальную термическую обработку и др.

Наличие остаточных напряжений и знак можно определить по изгибу пла­стин или колец. После вырезки образца из втулки или пластины либо раскреп­ления он прогибается. Если прогиб образца направлен выпуклостью в сторону напряженного поверхностного слоя, то в нем существуют остаточные напряже­ния сжатия (рис. 2.22, а), если наоборот — напряжения растяжения. Если разре­зать кольцо с остаточными напряжениями сжатия в поверхностном слое, оно сомкнётся, с напряжениями растяжения — разомкнётся (рис. 2.22, а, б).

Деформацию колец определяют по изменению расстояния между точками 1 и 2 (рис. 2.22, в, г, д). Средние значения остаточных напряжений сжатия (для пло­ской пластины) могут быть рассчитаны, если, например, известна глубина их залегания, по формуле

где H— толщина пластины; h— толщина слоя с остаточными напряжениями; L— длина пластины; Е — модуль упругости; δ — прогиб пластины в результате действия остаточных напряжений.

Определение остаточных напряжений в поверхностном слое может выпол­няться различными группами методов, основными из которых являются:

1. методы сверления зондирующих отверстий с измерением деформации поверхности возле них;

2. методы послойного или непрерывного удаления с поверхности напря­женных слоев материала с последующим расчетом остаточных напряжений и определением распределения их по глубине поверхностного слоя;

3. методы дифракции рентгеновских лучей, жесткого рентгеновского излуче­ния, потоков нейтронов или электронов;

1. акустические (ультразвуковые) методы.

Основной принцип первой группы заключается в сверлении отверстия в об­разце. Деформации, вызванные перераспределением остаточных напряжений в зоне отверстия (рис. 2.23, в), измеряют датчиками, расположенными вокруг от­верстия в определенных позициях (рис. 2.23, а, б). Точки измерений деформаций выбирают таким образом, чтобы упростить расчет остаточных напряжений. Сверление выполняется в несколько этапов, на каждом из которых удаляется тонкий слой материала и измеряются деформации. Это позволяет оценить рас­пределение остаточных напряжений по глубине. Измерение деформаций обычно выполняется системой тензодатчиков (розетка), наклеиваемых на поверхность (рис. 2.24, а). В центре розетки есть разметка для сверления отверстия. Сверле­ние производится на специальных приборах (рис. 2.24, б), позволяющих настраивать сверло на центр розетки посредством системы микрометрических винтов и микроскопа. Диаметр зондирующего отверстия составляет 0,4...2 мм.

Для измерения деформаций используют также нанесение на поверхность сеток или окружностей, голографическую интерферометрию, электронную спекл-интерферометрию. Последний метод послужил основой разработки со­временных портативных систем определения и расчета остаточных напряжений.

Спекл-интерферометрия использует электронную фотографию особо тон­кой, «зернистой» структуры света, отраженного диффузным объектом при ла­зерном освещении (от англ. sparkle— сверкать, искриться). Глаза наблюдателя отмечают этот эффект в виде мерцания, искорок на участке, освещенном лазе­ром. Детектор (видеокамера) фиксирует спекл в виде зернистой структуры на изображении. Это изображение (спекл-структура) зависит от формы поверхно­сти и хорошо отражает ее изменения.

Запись и сопоставление двух спекл-структур, проводимые на ЭВМ в цифро­вой форме, выявляют изменения в положении или геометрии тела в виде сис­темы линий (интерферограммы). Пример такой интерферограммы, используе­мой для расчета деформаций и напряжений у зондирующего отверстия, приве­ден на рис. 2.25. В отличие от тензометрирования, где измерения выполняют в отдельных точках, данный метод регистрирует линии перемещений по всей по­верхности тела в окрестности зондирующей лунки, что позволяет визуально оп­ределять направления главных напряжений и делать качественные выводы об их свойствах еще до подсчета числовых значений соответствующих величин.

Д ля поиска остаточных напряжений методом зондирующего отверстия с ис­пользованием спекл-интерферометрии разработаны специальные приборы, на­пример ЛИМОН-ТВ.

Расчеты остаточных напряжений выполняют методами математического мо­делирования напряженно-деформированного состояния зоны вокруг отверстия.

Метод сверления зондирующих отверстий относят к полуразрушающим. Образующееся отверстие имеет небольшую глубину и при необходимости мо­жет быть удалено механической обработкой.

В торая группа методов основана на послойном или непрерывном удалении материала, имеющего остаточные напряжения, с поверхности. На практике не­прерывное удаление слоев металла с иссле­дуемой поверхности обычно производится хи­мическим или электрохимическим травлением (рис. 2.26).

При этом остальные поверхности образцов изолируют химически стойкими ла­ками. Предварительно определяют скорость травления материала в используемом травя­щем растворе, что необходимо для расчетов распределения остаточных напряжений по глубине от поверхности. Деформация образ­цов, связанная с удалением напряженных сло­ев, регистрируется с помощью датчиков. Для измерения остаточных напряжений используют специальные приборы, например ПИОН. Современные приборы этого типа (ПОВКОН «Тензор»), позволяют авто­матизировать циклы измерения и расчета остаточных напряжений, рассчитывать напряжения при использовании образцов сложной формы, например вырезанных из лопатки компрессора или из венца зубчатого колеса.

Недостатки этих методов заключаются в высокой трудоемкости и разру­шающем воздействии. Измерения приходится выполнять на образцах-свидете­лях или образцах, вырезанных из деталей.

Третья группа методов основана на дифракции рентгеновских лучей или нейтронов. Их сущность заключается в измерении разности межплоскостных параметров кристаллической решетки исходного и деформированного металла, которая пропорциональна значению остаточных напряжений. Измерения вы­полняют с использованием различных методик: двух экспозиций, скользящего луча, sin²ψ.

Наиболее широко используется методика sin²ψ, принцип которой показан на рис. 2.27. Она основана на измерении деформации кристаллической решетки иссле­дуемого объекта по смещению линий дифракционного спектра. Под действием компоненты нагрузки, перпендикулярной кристаллографическим плоскостям, дающим отражение, меняются межплоскостные расстояния, что приводит к изме­нению угла дифракции рентгеновских лучей 0. Расчеты выполняют по формуле

где ∆θ — изменение угла дифракции, связанное с наличием остаточных напря­жений; θ_o — угол дифракции, соответствующий состоянию решетки без напря­жений; do— межплоскостное расстояние при отсутствии напряжений; ∆d— из­менение межплоскостного расстояния; ε — деформация решетки.

Фиксируя это изменение при различных углах ψ, можно построить график зависимости угла 20 от sin²ψ и по нему вычислить значения напряжения. Угол уобразован нормалью к поверхности и нормалью к отражающей плоскости, угол ψ показывает поворот вокруг нормали N.

В настоящее время созданы специальные портативные приборы, в част­ности STRESSRAD. Прибор STRESSRAD состоит из гониометра с установ­ленными на нем рентгеновской трубкой и позиционно-чувствительным де­тектором, блока электроники и портативного компьютера с программным обеспечением.

Для исследования напряжений в различных материалах измерения выпол­няют трубками с разными анодами (Fe, Сг, Си).

При использовании мягкого рентгеновского излучения глубина проникно­вения луча не превышает нескольких микрометров (титан — 5, сталь — 20, алюминий — 50 мкм). Поэтому для построения эпюр остаточных напряжений необходимо послойное удаление материала. Жесткое рентгеновское излучение позволяет исследовать более глубокие слои металла (титан — 500 мкм, алюми­ний — 10 мм). Проникающая способность нейтронного излучения еще выше (титан — 4, сталь — 25, алюминий — 100 мм). Использование жесткого рентге­новского и нейтронного излучений позволяет оценивать распределение остаточ­ных напряжений по глубине (строить эпюры остаточных напряжений).

Преимуществами методов дифракции являются объективность, отсутствие посторонних факторов, воздействующих на образец в процессе измерения, ло­кальность, возможность определения напряжений без разрушения деталей.

Ультразвуковой способ основан на влиянии значения и знака напряжений в твердом теле на скорость распространения звуковой волны. Поскольку скорость распространения волны дополнительно зависит от структуры материала, а само изменение скорости незначительно, эта группа методов не обеспечивает высо­кой точности измерений остаточных напряжений.

Измерения выполняют на стационарных и переносных приборах, в частности СИТОН-ПП и СИТОН-АРМ. Абсолютная погрешность измерения напряжений составляет 20...60 МПа. Приборы позволяют определять остаточные напряже­ния на глубинах 5...650 мкм. Время измерения составляет ~30 с. Ультразвуко­вые приборы требуют тщательной тарировки на специальных образцах. Их це­лесообразно использовать для контроля и отбраковки деталей, выпускаемых в условиях массового и крупносерийного производства.

Параметры структурного состояния поверхностного слоя. При технологи­ческом воздействии на поверхностный слой изменяется его структура. Структу­ра поликристаллического материала складывается из отдельных составляющих (зерен), разделенных границами. Сами зерна состоят из блоков, т. е. частей зер­на, имеющих незначительные отклонения в кристаллографической ориентации. Границы между блоками образуются дислокациями (малоугловые границы). Внутри зерен или на их границах могут присутствовать вторичные фазы и час­тицы неметаллических или тугоплавких включений.

К параметрам структуры поверхностного слоя относят:

• размеры зерен, их форму и направленность (текстуру);

• концентрацию, плотность и особенности распределения дефектов кри­сталлического строения (дислокаций, вакансий, атомов внедрения);

• размер частиц вторичных фаз, включений и расстояния между ними;

• удельную по отношению к единице объема сплава протяженность границ поверхностей раздела (границ зерен, вторичных фаз, включений);

• объемные доли тех или иных фаз.

Использование характеристик структуры зависит от конкретных условий: типа сплава, размера зерен, числа фаз, степени деформации и т. д.