Bryansk, Bryansk, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
On the basis of fundamental regulations of the theory of metal plastic deformations there are defined additional reserves in the operation reliability increase of machinery operated under conditions of cyclic loadings and sliding friction.
surface layer, deformation conditions, mass transfer, fatigue resistance, running-in
Постоянное совершенствование возможностей металлообрабатывающего оборудования, режущего и упрочняющего инструмента открывает перед машиностроением дополнительные резервы в повышении ресурса лимитирующих деталей и узлов технологическими методами.
Причем, подобный подход к данной проблеме должен предполагать только оптимизацию операционных технологических процессов, без дополнительных материальных затрат.
Анализ многочисленных научных работ в этом направлении показывает, что в основном они базируются на использовании сведений об упруго-пластических свойствах обрабатываемых конструкционных материалов.
Общеизвестно, что до 80 % деталей машин, механизмов и технологической оснастки выходит из строя вследствие их изнашивания или усталостного разрушения.
В этих условиях наиболее рациональным представляется подход к технологическому обеспечению, основанный на глубоких теоретических и экспериментальных исследованиях закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя (ПКПС) в процессе технологического воздействия на обрабатываемую поверхность.
Классический подход к пластической деформации металлов предполагает обязательный учет трех компонентов этого процесса: силового, скоростного и температурного факторов.
Эквивалентное напряжение в единице объема поверхностного слоя на глубине h можно определить формулой (1), полученной методом конечных элементов:
, (1)
где qо – контактное давление между инструментом и поверхностью; m – коэффициент, зависящий от механических свойств материала.
На основании исследований П.Кука [1] получен коэффициент y, определяющий фактическое значение предела текучести в зависимости от действующей температуры и скорости деформации:
, (2)
где кy и my ‒ коэффициенты, зависящие от соотношения действующей температуры Т и температуры Тпл: при Т/Тпл ≤ 0,3 кy =1;
my =1,5; при Т/Тпл ³ 0,3 кy = 0,35; my = 2,8.
Фактическое значение напряжения текучести с учетом температуры и скорости деформации может быть определено по выражению:
, (3)
где nТ ‒ коэффициент, зависящий от механических свойств обрабатываемого материала.
Действующее в процессе технологического воздействия напряжение текучести связано с размером зерна d поверхностного слоя соотношением Холла-Петча:
, (4)
где с – константа; d – средний размер зерна поверхностного слоя.
Из зависимости (4) с учетом выражения (3) определим d:
. (5)
Уравнение (5) определяет средний размер зерна с факторами обработки через среднюю температуру поверхностного слоя Т:
, (6)
где a ‒ коэффициент температуропроводности, м2/с; Тк ‒ время действия теплового источника, с; h – расстояние от поверхности, м.
Для практических расчетов приближенное значение Т можно принимать:
‒ для точения и выглаживания Т » 0,9 Тк.
‒ для шлифования Т » 0,7 Тк.
Кроме размера зерна значительное влияние на эксплуатационную надежность деталей машин оказывает плотность дислокаций ρд [2].
Из известного соотношения Д. Тейлора [3] можно получить выражение плотности дислокаций от напряжения текучести σТ и характеристик материала заготовки:
, (7)
где G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса.
Исследование приведенных выше ПКПС (размера зерна и плотности дислокаций) при проектировании маршрутных и операционных технологических процессов связано с очень длительными лабораторными исследованиями. В этой связи целесообразно использовать какой-либо физический метод неразрушающего контроля, который позволяет как на образцах, так и на реальных деталях оперативно устанавливать связи между основными ПКПС.
В качестве такого метода, на взгляд автора, подходит исследование экзоэлектронной эмиссии с поверхности конструкционного материала.
Термином «экзоэлектронная эмиссия» (ЭЭЭ) определяют явление нестационарной электронной эмиссии с поверхности твердого тела, находящейся в возбужденном состоянии, при внешнем тепловом или световом стимулирующем воздействии с энергией ниже порога возникновения стационарных эмиссионных эффектов. К настоящему времени считается доказанным факт взаимосвязи эмиссионных параметров с дефектностью материалов. Технологические методы воздействия на поверхность, сопровождающиеся деформационными и тепловыми явлениями, вызывают сложные физико-химические процессы, приводящие к нарушению равновесия в электронной системе материалов [3].
Несмотря на различие физической природы трансформаций, происходящих в поверхностном слое в результате внешних воздействий, эмиссионная реакция сводится к снижению энергетического порога. Установлено также, что метод ЭЭЭ малочувствителен к типу поверхностного дефекта, а служит лишь его индикатором. Поэтому использование его для контроля качества поверхностного слоя должно сопровождаться исследованиями взаимосвязи параметров ЭЭЭ с закономерностями процесса дефектообразования в поверхностном слое. Широкое практическое использование метода обуславливается рядом особенностей:
- отсутствие ограничений, связанных с природой, структурой и свойствами материалов;
- возможность получения информации как в интегральной форме со всей контролируемой поверхности, так и локально, с отдельных ее участков;
- высокая чувствительность к поверхностным дефектам, что позволяет его использовать в процессе динамических испытаний;
- измерения могут проводиться в разнообразной атмосфере, широком температурном интервале, после различных внешних энергетических воздействий на поверхность.
Как известно, реальная поверхность твердого тела всегда покрыта слоями адсорбатов, пленкой оксида, что приводит к видоизменению энергетического спектра существующих электронных состояний. Вследствие неоднородности структуры поверхность является источником генерирования дислокаций, что неизбежно сказывается на ее механических свойствах. Многие исследователи связывают это явление с наличием границ зерен и двойников, оксидных пленок, трещин и т.д.
В прикладных технических задачах в основном различают два вида ЭЭЭ:
1) фотостимулированная электронная эмиссия (ФСЭЭ) – эмиссия, регистрируемая в процессе освещения при постоянной температуре;
2) термостимулированная электронная эмиссия (ТСЭЭ) – эмиссия, регистрируемая при нагревании контролируемого объекта.
В настоящей работе для оценки физико-химического состояния поверхностей применялась ФСЭЭ.
Для установления статистических связей интенсивности ЭЭЭ с параметрами качества поверхностного слоя был применен корреляционный анализ.
В качестве исследуемых параметров были выбраны следующие: Ra, мкм – среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости; Hμ, кг/мм2 – поверхностная микротвердость; Uн – коэффициент степени наклепа; σ0, МПа – технологические тангенциальные макронапряжения на поверхности образца;
d – номер зерна металла поверхностного слоя; ρ, см-2 – плотность дислокаций.
Исходными данными для корреляционного анализа служили результаты как однофакторных, так и многофакторных экспериментов. После обработки исходных денных на ЭВМ были получены коэффициенты парной корреляции между всеми анализируемыми параметрами (табл. 1).
Рассматривая силу связи каждого параметра в отдельности с интенсивностью экзотока, прежде всего, необходимо отметить, что для всех трех рассмотренных методов обработки наблюдается довольно хорошая сходимость значений коэффициентов парной корреляции.
Если условно разделить включенные в корреляционный анализ микрогеометрические и физические параметры на две группы, то можно сказать, что поверхностная микротвердость, коэффициент степени наклепа, номер зерна и плотность дислокаций проявляют очень тесную связь с ЭЭЭ, а среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости и поверхностные тангенциальные макронапряжения слабо коррелируют с исследуемым параметром.
В свою очередь, если посмотреть на коэффициенты парной корреляции между Hμ, Uн, d и ρ, то все они укладываются в диапазон значений 0,74…0,96, что говорит об их сильном взаимовлиянии. Поэтому связь первой группы параметров с ЭЭЭ необходимо рассматривать в комплексе. Итак, с увеличением поверхностной микротвердости и, следовательно, коэффициента степени наклепа наблюдается уменьшение размера зерна (увеличение его номера) и увеличение плотности дислокаций. Эта статистическая оценка не противоречит физической картине, имеющей место в поверхностном слое. Так как увеличение твердости не что иное, как повышение сопротивляемости металла пластической деформации, то в подавляющем большинстве случаев это связано с уменьшением размера зерен металла поверхностного слоя и барьерным действием межзеренных границ [4].
Указанные два последних фактора значительно тормозят движение дислокаций в реальной кристаллической решетке поликристаллов, что объясняется барьерным действием границ зерен (чем зерно меньше, тем границ больше) и «запирающим» свойством дислокационных плоскостей.
1. Коэффициенты парной корреляции между параметрами состояния поверхностного слоя
|
Параметры |
Ra |
Hμ |
Uн |
σ0 |
d* |
ρ |
I |
|
Ra |
1,00 |
0,17** -0,22 -0,31 |
0,21 -0,19 -0,33 |
0,34 0,29 0,43 |
-0,58 -0,71 -0,63 |
0,16 -0,08 -0,11 |
0,17 0,36 -0,47 |
|
Hμ |
0,17 -0,22 -0,11 |
1,00 |
0,92 0,84 0,96 |
0,16 0,22 0,27 |
0,78 0,83 0,91 |
0,91 0,84 0,89 |
0,86 0,88 0,92 |
|
Uн |
0,21 -0,19 -0,33 |
0,92 0,84 0,96 |
1,00 |
0,18 -0,11 0,14 |
0,79 0,78 0,86 |
0,87 0,82 0,89 |
0,91 0,84 0,87 |
|
σ0 |
0,34 0,29 0,43 |
0,16 0,22 0,27 |
0,18 -0,11 0,14 |
1,00 |
0,27 0,17 0,21 |
0,31 0,42 0,36 |
-0,11 0,17 0,08 |
|
d* |
-0,58 -0,71 -0,63 |
0,78 0,83 0,91 |
0,79 0,78 0,86 |
0,27 0,17 0,21 |
1,00 |
0,74 0,77 0,82 |
0,37 0,79 0,92 |
|
ρ |
0,16 -0,08 -0,11 |
0,79 0,78 0,86 |
0,87 0,82 0,89 |
0,31 0,42 0,36 |
0,74 0,77 0,82 |
1,00 |
0,93 0,89 0,91 |
|
I |
0,17 0,36 -0,47 |
0,86 0,88 0,92 |
0,91 0,84 0,87 |
-0,11 0,17 0,08 |
0,87 0,79 0,92 |
0,93 0,89 0,91 |
1,00 |
|
Примечания: * – в таблице d дан через номер по ГОСТ 5639-82 (номер возрастает с уменьшением d); ** – через черточки даны коэффициенты корреляции при точении, круглом шлифовании и алмазном выглаживании. |
|||||||
Тесная корреляционная связь рассмотренных четырех факторов на величину экзоэмиссии объясняется чувствительной реакцией этого метода на дефектность материала, увеличение которой сопровождается значительным ростом в поверхностном слое числа экзоэлектронов.
Влияние параметра Ra на ЭЭЭ оценивается коэффициентами корреляции от -0,47 при алмазном выглаживании до 0,36 при шлифовании, что с точки зрения математической статистики можно считать довольно слабым. С точки зрения физики явления гипотетически сложно сказать, что в большей степени скажется на росте экзотока – увеличение площади поверхности с ростом Ra и, следовательно, возрастание вероятности выхода электрона в вакуум при возбуждении или уменьшение мощности светового возбуждающего зонда вследствие больших потерь при сканировании поверхности с «грубой» шероховатостью.
Кроме того, в зависимости от методов и режимов отделочной обработки микрорельеф может формироваться под воздействием как сравнительно незначительных силовых воздействий (шлифование мелкозернистыми кругами с малыми глубинами резания), так и при больших удельных нагрузках (алмазное выглаживание). Подобная ситуация может сформировать сочетание невысокой шероховатости в одних случаях со сравнительно крупным поверхностным зерном и небольшой плотностью дислокаций, а в других аналогичный микрорельеф будет на поверхности с более мелким зерном и большей плотностью дислокаций.
Описанная физическая модель в первом приближении дает объяснение слабой корреляционной связи высотного параметра шероховатости с величиной ЭЭЭ.
На химический состав так называемых вторичных структур поверхностного слоя в процессе механической обработки оказывают влияние следующие основные физические факторы:
1) диффундирование некоторых химических элементов из инструментального материала в матрицу конструкционного;
2) адсорбция элементов режущего инструмента под действием значительных температурных градиентов в поверхностном слое;
3) адгезия микрочастиц материала на режущий инструмент и «размазывание» [5] их по обрабатываемой поверхности;
4) «микрометаллургические» процессы, протекающие при «размазывании» микро-включений по обрабатываемой поверхности при высоких локальных температурах;
5) адсорбция элементов, входящих в СОТС.
В настоящее время существуют в основном две физические модели диффузии твердых тел: гетеродиффузия и реактивная диффузия. Первый вид характеризуется образованием твердого раствора с решеткой растворителя. Максимальная концентрация диффундирующего вещества в металле, играющем роль растворителя, не может превышать предельную концентрацию согласно диаграмме состояния. По второй модели химическая реакция может произойти с образованием интерметаллического соединения на границе раздела контактирующих тел. Известно, что диффузия молекулы химического соединения в решетку металла невозможна. В металле диффундируют атомы, получившиеся в результате диссоциации этих соединений. Поэтому при диффузионном растворении инструментального материала в обрабатываемом необходимо рассматривать диффузию входящих в сплав
химических элементов.
Количество вещества dM компонента В, выраженное в молях массы вещества, продиффундировавшее в компонент А, определяется уравнением:
(8)
где D ‒ коэффициент диффузии; dc/dx ‒ градиент концентрации в какой-либо точке;
dS ‒ элементарная площадь, через которую происходит диффузия; dt ‒ время диффузии.
Важнейшим параметром, характеризующим диффузию, является коэффициент диффузии D, который определяется из соотношения
(9)
где D0 ‒ предэкспоненциальный множитель, который соответствует коэффициенту диффузии при температуре, равной бесконечности; Q ‒ энергия активации, отнесенная к молю твердого раствора; R ‒ газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); Θ ‒ температура диффузии, К.
Одним из современных способов оценки элементного состава поверхностей материалов считается метод электронной оже-спектроскопии (ЭОС) [3, 6]. В основе ЭОС лежат процессы ионизации внутренних атомных уровней первичным электронным пучком и выход оже-электрона в вакуум, где он регистрируется при помощи электронного спектрометра. Физическая картина оже-процесса выглядит следующим образом: падающий электрон с достаточно большой энергией выбивает электрон с внутреннего уровня, а образовавшаяся вакансия мгновенно заполняется другим электроном.
Энергия при таком переходе может освобождаться в виде характеристического рентгеновского излучения или передаваться другому электрону, находящемуся на другом уровне. Этот электрон выходит в вакуум и регистрируется как оже-электрон. Работа выхода такого электрона имеет строго определенный, довольно узкий диапазон, характеризующий конкретный химический элемент. Из этого пояснения следует, что для оже-процесса нужны, по крайней мере, два энергетических уровня и три электрона, поэтому в атомах водорода и гелия оже-электроны возникать не могут.
Исследования проводились на электронном спектрометре типа ЭСКАЛАБ-МК-11. Данный спектрометр позволяет анализировать химический состав поверхности на глубине в несколько десятков ангстрем. Возможно определение содержания всех элементов (кроме водорода и гелия).
На рис. 1 приведены типичные оже-спектры, снятые с исходных и обработанных поверхностей стальных образцов. Из химического состава поверхностных слоев видно, что в исходной поверхности стали азот не обнаружен. После обработки в режиме чистового обтачивания резцами из композита 10
(t =
На рис. 2 показана зависимость процентного содержания азота в примесях поверхностных слоев стальных образцов от скорости чистового точения. С увеличением скорости обработки процент содержания азота растет, что объясняется ростом температуры и, соответственно, коэффициента диффузии.
Определенный теоретический и практический интерес представляет влияние сочетания таких факторов, как размер зерна и плотность дислокации на предел усталости [7]. Как видно из рис. 3, в крупнозернистых поверхностных слоях металла зарождение и развитие усталостных трещин происходит боле интенсивно, чем в мелкозернистых. Это связано с барьерным действием границ зерен, которые препятствуют движению дислокаций по одной из кристаллографических плоскостей. Физически подобная картина выглядит следующим образом: чем больше зерен в единице объема, тем больше границ зерен и, тем самым, больше барьеров для распространения зарождающихся усталостных трещин. Поэтому одним из способов повышения усталостной прочности является создание наклепа в поверхностных слоях различными технологическими методами за счет измельчения зерен под действием силовых факторов.
В то же время при наличии очень мелкого зерна и плотности дислокаций, превышающих 1,1×1012 см-2, материал начинает работать в условиях хрупкого разрушения, что резко снижает его предел усталости. Подобное явление часто называют «перенаклепом».
Что касается практического использования явления массопереноса определенных химических элементов из инструментального материала в обрабатываемую поверхность, то, прежде всего, это может быть использовано для увеличения износостойкости трибосистем прецизионных пар трения. В реальной ситуации, когда зазоры в парах трения измеряются микрометрами, очень важно, прежде всего, обеспечить значительное уменьшение периода приработки, что увеличит общий ресурс пары.
Практически следует избегать назначения окончательной обработки поверхностей отверстия и вала резцами из композитов на основе нитрида бора, что, как показала наша практика, увеличит адгезионную составляющую коэффициента трения за счет диффундирования в контактирующие поверхности азота.
Таким образом, используя для повышения долговечности ответственных деталей машин ряда нетрадиционных ПКПС, можно реально увеличить ресурс изделий машиностроения.
1. Theory of Metal Plastic Deformations / under the editorship of E.P. Unskova, A.G. Ovchinnikova. - M.: Mechanical Engineering, 1983. - pp. 598.
2. Suslov, A.G., Fyodorov, V.P., Gorlenko, O.A. et al. Technological Support and Increase of Operation Properties of Parts and Their Joints / under the general editorship of A.G. Suslov. - M.: Mechanical Engineering. 2006. - pp. 448.
3. Methods for Surface Analysis / under the editorship of A.Zanderna. - M.: World, 1979. - pp. 582.
4. Totay, A.V., Akulich, P.P. Exoelectronic emission as complex criterion of physical-chemical state of machinery surface layer // Proceedings “Modern Machining Processes with SHM Tools and Quality of Machinery Surfaces. - Kiev: NAS of the Ukraine. Bakul NSM, 2009. - pp. 272.
5. Sulima, A.M., Shulov, V.A., Yagodkin, Yu.D. Surface Layer and Operation Properties of Machinery. - M.: Mechanical Engineering, 1988. - pp. 240.
6. Totay, A.V., Gorlenko, O.A., Fyodorov, V.P. Nitrogen microalloying of structural material surfaces during finishing methods based on cubic boron nitride // Bulletin of BSTU. 2013. No.4. - pp. 95-100.
7. Totay, A.V. Theory and practice of technological support of machinery fatigue strength // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. - 2018. - No.10 (64). - 38-42.
