сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
На основе фундаментальных положений теории пластических деформаций металлов установлены дополнительные резервы в повышении эксплуатационной надежности деталей машин, работающих в условиях циклических нагружений и трения скольжения.
поверхностный слой, условия деформации, массоперенос, сопротивление усталости, период приработки
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. Теория пластических деформаций металлов / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.
2. Суслов, А.Г., Федоров, В.П., Горленко, О.А. и др. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / Под общей ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение. 2006. - 448 с.
3. Методы анализа поверхностей / Под ред. А. Зандерны. - М.: Мир, 1979. - 582 с.
4. Тотай, А.В., Акулич, П.П. Экзоэлектронная эмиссия как комплексный критерий физико-химического состояния поверхностного слоя деталей машин // Сб. науч. тр. «Современные процессы механической обработки инструментами из СТМ и качество поверхности деталей машин. - Киев: НАН Украины. НСМ им. В.Н. Бакуля, 2009. - 272 с.
5. Сулима, А.М., Шулов, В.А., Ягодкин, Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.
6. Тотай, А.В., Горленко, О.А., Федоров, В.П. Микролегирование азотом поверхностей конструкционных материалов при финишных методах обработки инструментами на основе кубического нитрида бора // Вестник БГТУ. 2013. № 4.- С. 95-100.
7. Тотай, А.В. Теория и практика технологического обеспечения усталостной прочности деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2018. - №10 (64). - С. 38-42.
