1.6. Поверхневий шар, його структура та параметри

Під час більшості процесів старіння та руйнування матеріалів особливу роль відіграє будова поверхневого шару твердих тіл та явища, які проходять в ньому. Стан поверхневого шару визначає процеси, виникаючі при взаємодії його з іншим тілом та навколишнім середовищем. Особливим є вплив поверхневого шару матеріалу на працездатність виробу, пов'язаний з наступними причинами.

По-перше, поверхневий шар формується внаслідок різних технологічних процесів, які утворюють не тільки потрібну форму поверхні .та змінюють властивості матеріалів, але й викликають низку побічних явищ, що змінюють властивості поверхневого шару твердого тіла. Після цього фізико-хімічні параметри поверхневого шару, його структура та напружений стан дуже відрізняються від властивостей усього об'єму матеріалу.

По-друге, шари поверхні твердого тіла, як правило, насичені надлишком енергії, оскільки молекули та атоми, які знаходяться близько від поверхні, мають вільні зв'язки, що сприяють виникненню таких явищ, як адсорбція (лат. аd — на, при;sorbio — поглинаю), адгезія (лат.аdhaesio — прилипання), яка обумовлена міжмолекулярними зв'язками; когезія (лат.cohaesus — зв'язаний, зчеплений), причиною якої є міжмолекулярні зв'язки, що призводять до об'єднання часток в одне ціле. При цьому шар поверхні набуває своєрідної будови.

По-третє, під час експлуатації відбувається безперервна зміна (трансформація) параметрів поверхневого шару значно більшою мірою, ніж зміни по всьому об'єму тіла.

Структура поверхневого шару матеріалу деталі формується ще в результаті механічної обробки й може бути зображена у вигляді п'яти шарів (рис. 1.3).

Перший шар — це адсорбований шар. Він утворюється в наслідок адсорбції полярно-активних молекул мастильного матеріалу, вологи, газів та інших речовин, які знаходяться в зоні тертя. Його товщина коливається від 0,002 до 0,0003 мкм.

Другий шар — це шар оксиду, який має підвищену твердість і зносостійкість. Він формується в наслідок хімічної взаємодії матеріалу деталі з оточуючим середовищем. В наслідок дії зовнішнього середовища і знакозмінних навантажень плівка набирає пористу структуру і рельєф, характерний для умов роботи деталі.

Це крихка мономолекулярна плівка, товщина якої залежить від параметрів шорсткості поверхні тертя, матеріалу деталі і навколишнього середовища.

Його товщина 0,002...0,5 мкм.

Третій шар — це наклепаний шар з сильно деформованою кристалічною решіткою, який характеризується певною орієнтацією (текстурою) зерен, який виникнув під впливом тангенціальних сил різання або тертя. Здвиг зерен металу і скривлення кристалічної решітки обумовлюють значне підвищення мікротвердості матеріалу. Цей шар приводить до зміни фізико-механічних властивостей металу. Його товщина 1,55 мкм.

Четвертий шар — це також наклепаний шар з деформованою кристалічною решіткою з наявністю великої кількості вакансій і дислокацій. Він, як і третій шар, формується в наслідок пластичної деформації і наклепу метала під дією сил різання або тертя. Але велика кількість вакансій і дислокацій в ньому приводить до зменшення мікротвердості металу. Його товщина 0,250 мкм. Товщина шару і співвідношення його з товщиною третього шару залежить від способу і режиму механічної обробки поверхні.

Доцільно вибрані способи і режими обробки деталі (механічний, хіміко-термічний або лазерний) дозволяють значно збільшити довговічність спряження. Наприклад, в результаті зміцнення поверхні регулювального болта штовхача паливного насоса термодифузійним хромуванням ресурс спряження болт — п'ята плунжера збільшується в 10 разів.

П'ятий шар — вихідна структура металу.

В процесі експлуатації йде безперервна зміна (трансформація) параметрів шару поверхні в значно більшій мірі, ніж зміни, які відбуваються в об'ємі тіла.

Тому більшість відмов машин пов 'язані з процесами, які відбуваються в шарах поверхні, і їх природа не може бути пояснена без аналізу тих змін, які зазнають характеристики поверхневого шару при експлуатації виробів.

Запитання та завдання для самостійного контролю

1.Що таке якість і надійність машин і їх взаємозв'язок?

2.Поясність вплив допусків і посадок на надійність.

3.Поясність, які види енергії діють на працездатність машин і механізмів.

4.Поясність, як поділяються процеси, що відбуваються в машині, за швидкістю їх протікання.

5.Поясність поняття «допустимі і недопустимі пошкодження».

6. Що таке поріг чутливості?

7.Поясніть графічно формування поверхневого шару деталей, що руйнуються?

8.Що таке «адсорбція», «когезія» і «адгезія»?