4.4. Регламентация качества поверхностного слоя

Строение поверхностного слоя твердых тел и происходящие в нем явления играют особую роль в протекании большинства процессов старения и разрушения материалов.

Состояние поверхностного слоя определяет процессы, возникающие при взаимодействии с другим телом или с окружающей средой, например, при износе, контактной деформации, усталости, коррозии и др. Особое влияние поверхностного слоя материала на работоспособность деталей обусловлено следующими причинами.

1. Поверхностные слои твердого тела наделены избытком энергии, т.к. молекулы и атомы, находящиеся у поверхности, имеют свободные связи, которые способствуют возникновению таких явлений, как по­глощение (адсорбция), сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание и т.п.

2. Поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только формируют деталь, но зна­чительно изменяют физико-механические свойства этого слоя.

3. В процессе эксплуатации идет непрерывное изменение параметров поверхностного слоя, в значительно большей степени, чем по всему объ­ему детали.

Параметры поверхностного слоя должны характеризовать:

• макро- и микрогеометрию поверхностного слоя;

• напряжения, возникающие в поверхностных слоях, как на отдельных участках, так и в микрообъемах;

• структуру поверхностного слоя как следствие пластической деформа­ции, температурных влияний, окислительных процессов и др.

Часть параметров поверхностного слоя были подробно рассмотрены в курсе ''Взаимозаменяемость и технические измерения": макрогеометрия -овальность, огранка, конусность и т.п.; микрогеометрия - шероховатость, волнистость, направления штрихов и т.п.

Известно, что возникающие в процессе обработки детали, пластические и тепловые явления (рассмотрено в курсе "Обработка металлов резанием") образуют равновесную систему, которая проявляется в виде макронапряжений, охватывающих крупные объемы детали (напряжение I рода), микронапряже­ний в пределах одного или нескольких кристаллических зерен (напряжение II рода) и субмикроскопических напряжений, действующих между элемен­тами кристаллической решетки (напряжение III рода).

Внутренние напряжения, как правило, являются следствием определенного технологического процесса, поэтому различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали длительное время, складываясь с рабочими (возникающими под действием рабочих нагру­зок) напряжениями, могут усиливать или ослаблять их последствия. Особен­но опасны растягивающие напряжения, которые приводят к резкому пони­жению усталостной прочности и износостойкости.

На рис. 4.7 показана схема влияния остаточных напряжений, полученных после механической обработки, на рабочую эпюру напряжений. Неблагоприятные растягивающие напряжения могут возникать в поверх­ностном слое после шлифовальной обработки (вплоть до появления шлифо­вочных трещин), после нанесения большинства гальванических покрытий, при химико-термической обработке поверхностно-обезуглероженных сталей и др.

Рис. 4.7. Остаточные напряжения в деталях: 1 – эпюра напряжений от механической обработки; 2 – эпюра рабочих напряжений; 3 – суммарная эпюра (а – изгиб, б – растяжение)

Ряд процессов механической обработки создают в поверхностном слое наклеп (повышенные механические свойства), благоприятно влияющий на эксплуатационные свойства деталей.

Существуют специально разработанные технологические процессы пластической деформации поверхностного слоя, создающие наклеп и благоприятные остаточные напряжения в поверхностных слоях (см. гл. 5), которые значительно могут повышать долговечность деталей, особенно работающих на усталость.

В табл. 4.2 представлены параметры качества поверхностного слоя и справа в графе показаны параметры, которые регламентируются обычно в чертежах.

Из данных табл. 4.2 видно, что большинство параметров качества поверхностного слоя или не регламентируется, или регламентируется редко, что объясняет сокращение долговечности деталей и более интенсивное ста­рение машин, чем по сравнению с расчетными параметрами

Следовательно, более подробная и точная регламентация качества поверхностного слоя наиболее ответственных деталей даст возможность резко, иногда в несколько раз, обеспечить проектную долговечность отдельных деталей, что благоприятно отразится на долговечности всей машины.

Таблица 4.2