Вплив шорсткості тастану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин
1. Вплив шорсткості поверхні
Тертя та зношування деталей значно пов’язані звисотою та формою нерівностей і напрямком штрихів обробки. У початковий періодроботи поверхонь, що труться, їх контакт відбувається по вершинах нерівностей.В результаті цього фактична поверхня зіткнення складає лише невеликий відсотоквід розрахункової. Тому в місцях фактичного контакту по вершинах нерівностейвиникають великі тиски, які часто перевищують межу текучості і навіть межуміцності металів, що труться.
Під дією тисків при нерухомих поверхнях в точках контакту відбуваєтьсяпружне стикання і пластична деформація зминання нерівностей, а при взаємномупереміщенні поверхонь – зрізання, відламування і пластичний зсув вершиннерівностей, що призводить до інтенсивного початкового зношування деталей, щотруться, і до збільшення зазорів пари тертя.
Підвищеному початковому зношуванню в деяких випадках сприяютьвиникнення в точках контакту високих миттєвих температур і зрив окисної плівки,що покриває метали. Це супроводжується молекулярним зчепленням металів, щотруться, і створенням вузлів схоплювання.
При роботі деталей в легких і середніх умовах висота нерівностей вперіод початкового зношування поверхонь, що труться, зменшується на 65–75 %, що призводить дозбільшення фактичної поверхні їх контакту, а отже, до зниження фактичноготиску.
Під час початкового зношування, що відбувається в період припрацювання,відбувається зміна розмірів і форми нерівностей, а також напрямку слідівобробки. При цьому висота нерівностей зменшується, чи збільшується до деякогооптимального значення, яке різне для різних умов тертя. Якщо для даних умовтертя вдається досягти оптимальної висоти нерівностей в процесі механічноїобробки, то в процесі експлуатації вона не змінюється, а час припрацювання ізношування виявляється найменшим.
Графіки зношування (рис. 1) показують, що приоптимальній висоті нерівностей (точки О1 і О2) початковезношування металу є найменшим. В більш важких умовах роботи крива 2 зношуваннязміщується вправо і вгору, а точки оптимальної шорсткості – вправо і вбікзбільшення висоти нерівностей.
/>
Рис. 1.Залежність зношування від висоти нерівностейповерхні
Збільшення висоти нерівностей проти оптимальної збільшує початковезношування, а зменшення нерівностей проти оптимальної може призвести домолекулярного зчеплення пар тертя. Тому задачею конструктора, що проектує новімашини, є призначення оптимальної шорсткості, при якій зношування та коефіцієнттертя за даних умов зношування був би мінімальним.
На рис. 2 показано, що через 160000 подвійних ходів зношування поверхніз нерівностями великого кроку досягає 60 мкм, а зношування поверхні з тонкиминерівностями малого кроку було менше 40 мкм.
Вплив напрямку нерівностей на зносостійкість різний у різних умовахтертя і при різних розмірах нерівностей. При рідинному терті і малій висотінерівностей напрямок штрихів значення немає, проте при збільшенні шорсткостібільш вигідним виявляється паралельний напрямок штрихів і швидкості руху.
/>
Рис. 2. Криві зношування (а) поверхонь з різною формою нерівностей (б) приоднаковій висоті нерівностей Rz
При граничному терті поверхонь з малими значеннями Ra з паралельнимнапрямком нерівностей і вектором швидкості руху зношування та схоплювання, щовиникають, виявляються більшими, ніж при поперечному напрямку нерівностей іруху подачі. Для поверхонь з великою шорсткістю, коли схоплювання невідбувається, паралельний напрямок штрихів дає найменше зношування.
Коефіцієнт тертя також пов’язаний з напрямком нерівностей та їхвисотою. При сполученні поверхонь, що мають однаковий напрямок нерівностей, іпри їх перпендикулярному напрямку до руху коефіцієнт тертя досягає найбільшогозначення. При перпендикулярному напрямку нерівностей поверхонь, що труться, абопри їх безладному розташуванні, що спостерігається при суперфінішуванні,коефіцієнт тертя мінімальний.
Точність сполучення, що встановлена кресленнямі визначається зазором у з’єднанні, суттєво залежить від шорсткостісполучуваних поверхонь.
Раніше вказувалось, що в період початкового зношування висота нерівностейможе зменшуватись на 65–75 %. При малих розмірах деталей ішорсткості поверхонь з Rz= 3÷10 мкм подвійна висота нерівностей 2Rz може бути співставленою з полем допуску на виготовлення деталі. Цеозначає, що в період початкового зношування поверхонь додатковий зазор вз’єднанні може досягнути значення допуску на виготовлення деталі, і точністьз’єднання буде повністю порушена. Замість необхідного за кресленням з’єднаннясьомого квалітету точності фактично виникає з’єднання восьмого або дев’ятогоквалітету, порушується характер посадок тощо.
Для запобігання цього необхідно у всіх випадках відповідальнихсполучень, від яких потрібне довготривале збереження встановленої конструкторомточності, проводити обробку деталей при досягненні мінімальної шорсткостіповерхонь, що труться.
При цьому рекомендується встановлювати необхідну висоту шорсткості в залежностівід необхідної точності сполучення, що проектується, шляхом розрахунку заформулами:
· при діаметрі сполучення понад 50 мм: Rz = (0,10÷0,15)T;
· при діаметрі сполучення від 18 до 50 мм: Rz = (0,15÷0,20)T;
· при діаметрі сполучення менше 18 мм: Rz = (0,20÷0,25)T.
В цих формулах поле Т деталі і висота нерівностей Rz виражені в мкм.
Міцність пресованих з’єднань безпосередньопов’язана з шорсткістю сполучуваних поверхонь. Зі збільшенням висотинерівностей сполучуваних поверхонь міцність пресових з’єднань знижується.Наприклад, міцність пресового з’єднання маточини вагонного колеса з віссю привисоті нерівностей 36,5 мкм виявилась на 40 % нижчою міцності такого жз’єднання з висотою нерівностей 18 мкм (не дивлячись на те, що натяг у другомувипадку був на 15 % меншим).
Втомлена міцність деталей суттєво залежить відшорсткості їх поверхонь. Наявність на поверхні деталі, які працюють в умовахциклічного і знакозмінного навантаження, окремих дефектів і нерівностей сприяєконцентрації напружень, які можуть перевищити межу міцності металу. В цьомувипадку поверхневі дефекти і штрихи від обробки відіграють роль осередкавиникнення субмікроскопічних порушень суцільного металу поверхневого шару ійого розпушення, що є першопричиною створення втомлених тріщин.
Експериментальні графіки (рис. 3) показують, що при збільшенніпараметра шорсткості відпаленої сталі 45 з Rz = 3,2 до Rz = 75 мкм межа її витривалості знижується з 285до 200 МПа, тобто на 30 %. Особливо різко знижується межа витривалості призбільшенні шорсткості найбільш гладких поверхонь.
/>
Рис. 3. Залежність межі витривалості від висоти нерівностей
На рис. 4 показано вплив напрямку нерівностей на межу витривалостісталі при згинанні. Із діаграми видно, що при поздовжньому напрямку нерівностейциклічна міцність при згинанні сталі 2Х13 на 10–15 % вища,ніж при поперечному розташуванні нерівностей. Ця закономірність проявляєтьсяпри різних видах обробки.
Висота шорсткості, напрямок штрихів обробки, форма і крок нерівностей,розміри опорної поверхні та інші геометричні характеристики мікрорельєфуповерхні впливають й на інші важливі експлуатаційні властивості деталей машин іприладів, тобто зокрема і на їх міцність при ударному навантажені, контактнужорсткість, відбивну спроможність, коефіцієнт тепловіддачі, газову ерозію.
/>
Рис. 4. Вплив напрямку штрихів обробки на межі витривалості зі сталі2Х13: 1– напрямок штрихів поперек деталі;2– напрямок штрихів вздовж деталі
шорсткість напруження зносостійкість наклепметал
2. Вплив деформаційного зміцнення (наклепу) металу поверхневого шару
Зносостійкість деталей. Підвищеннюзносостійкості деталей у більшості випадків сприяє попереднє зміцнення металуповерхневого шару, яке зменшує зминання і стирання поверхонь за наявності їхбезпосереднього контакту, і взаємне проникнення поверхневих шарів, що виникаєпри їх механічній та молекулярній взаємодії: зміцнення збільшує дифузію кисню вметал поверхневого шару, створюючи в ньому тверді хімічні з’єднання FeO, Fe2O3, Fe3O4 характернідля окислювального зношування, що протікають з найменшою інтенсивністю, а такожперешкоджають розвитку спільної пластичної деформації металів деталей, щотруться, що викликає холодне зварювання схопленням, яке є найбільш інтенсивнимвидом зношування.
На рис. 5 показано зміну зношування валиків зі сталі У8А при їх терті –ковзанні з чавунними колодками зі змащенням в залежності від ступеня наклепуваликів після шліфування, вираженого мікротвердістю поверхневого шару. Графікілюструє значне зменшення зношування зі збільшенням ступеня наклепу.
Позитивний вплив наклепу на зносостійкість поверхонь, що труться,проявляється тільки до певного ступеня початкового наклепу. Якщо при попереднійобробці поверхні, що треться, ступінь пластичної деформації поверхневого шаруперевищує певне для даного металу значення, то в металі починається процес йогорозпушення (розриви міжатомних зв’язків по площинах ковзання і субмікроскопічніпорушення суцільності металу), що відбувається одночасно з процесом зміцнення,який продовжується. Це явище називається перенаклепом.
/>
Рис. 5. Вплив наклепу на зношування стальних валиків
При подальшому збільшенні навантаження металу переміцнені і окрихчені зониметалу відшаровуються від його основної маси; починається лущення і прискоренезношування металу. Таким чином, перенаклеп металу викликає різке падіннязносостійкості, а також знижує втомлену міцність деталей і деякі іншіексплуатаційні властивості. У зв’язку з цим зміцнення металу поверхневого шарув процесі механічної обробки деталей при спеціальних зміцнюючих операціях(обкатка роликами і шариками, дрібоструминна обробка, тощо) слід провадити присуворо регламентованому наклепі що досягається, щоб запобігти виникненнюперенаклепу.
Втомлена міцність деталей машин у значномуступеню залежить від зміцнення (наклепу) метала поверхневого шару. Зміцненняметалу до певних меж зменшує амплітуду пластичної деформації і запобігаєвиникненню субмікроскопічних порушень суцільності (розпушення), що породжуютьрозвиток втомлених тріщин.
Крім того, створення зміцненого наклепаного поверхневого шаруперешкоджає зростанню існуючих і виникненню нових втомлених тріщин. Такий шарможе значно нейтралізувати шкідливий вплив зовнішніх дефектів і шорсткостіповерхні. Дослідження деталей зтвердим зміцненим шаром після циклічних навантажень, через які в металівиникають напруження, що перевищують межу втомленості, показує, що втомленітріщини зароджуються не у зміцненому шарі деталі, а у глибині її. Створенняподібних тріщин під зміцненим шаром і їх подальше збільшення відбувається прибільш високих напруженнях і їх більшому числі циклів навантаження, ніж в умовахвідсутності наклепу. Впливперелічених причин призводить до помітного підвищення втомної міцності деталей машинв результаті зміцнення металу їх поверхневого шару (рис. 6).
Результати численних досліджень показують, що при наклепі металуповерхневого шару підвищення циклічної міцності деталей машин, що працюють вумовах нормальної кімнатної температури, може досягти 25–30 %. При наклепіметалу точінням і поліруванням межа витривалості підвищується на 20–25 % зарахунок наклепу і на 12–15 % зростає за рахунок зниження висоти шорсткості припереході від точіння до полірування.
/>
Рис. 6. Вплив глибини (а) і ступеня (б) наклепу, створеного точінням,на межі витривалості сталі 45
Вплив наклепу на корозійну стійкість.Пластична деформація та наклеп поверхневого шару металу протікають в різноорієнтованих зернах неоднакового складу з різною інтенсивністю, феритні зернадеформуються інтенсивніше перлітних. Це викликає підвищення енергії та різнузміну електродного потенціалу. Більш наклепані феритні зерна стають анодами, аменш наклепані перлітні зерна – катодами. З тих же причин виявляються різними івикривлення атомної решітки в різних кристалічних зернах.
В результаті пластичної деформації полікристалічного металу в ньомустворюються мікронеоднорідності, що сприяють виникненню великої кількостікорозійних мікроелементів. Найбільш активними ділянками металу у взаємодії іззовнішнім середовищем є зони площин зсувів і місця виходів дислокацій наповерхню. В цих зонах прискорюється адсорбція та розвиваються корозійні ідифузні процеси. В результаті цього холоднодеформована м’яка сталь можепоглинути у 100 разів більше водню, ніж відпалена.
Механічна обробка, що викликає наклеп поверхневого шару і зміну шорсткостіповерхні, суттєво впливає на корозійну стійкість металу. За даними проведенихдосліджень коефіцієнт самодифузії нікелю жароміцної сталі післяелектрополірування, коли наклепаний шар повністю усунений, при 700 °Сскладає 10-14 см2/с, а після шліфування – 130×10-14 см2/с. В табл. 7.3 наводяться дані провтрату в масі зразків внаслідок корозії за 30 діб перебування у воді.
Втрати в масі стальних зразків від корозії за 30 діб перебування у водіВид обробки зразка
Втрати в масі, × 10-5 г/см2 Сталь 20Х Сталь У8А загартована
Шліфування
Точіння
Силове точіння
Обробка роликами
390
465
510
524
605
645
650
715
Наклеп і залишкові напруження поверхневого шару можуть стати однією зпричин корозійного розтріскування сталі при її довготривалому статистичномунавантаженні в корозійних середовищах. Зняття наклепу відпалюванням усуває вцих випадках і корозійне розтріскування.
Необхідно однак відмітити, що за певних умов створення наклепу деталейнакатуванням роликами або обдуванням дробом відбувається завальцьовуванняшляхів проникнення корозійних середовищ у середину металу через дефектиповерхні, які пластично деформуються феритом. Це може нейтралізувати розвитоккорозійних процесів і розвиток втомної міцності деталей.
Наклеп поверхневого шару значно знижує магнітні властивості магнітом’яких матеріалів типу пермалой, альфенол тощо. У зв’язку з цимпри їх механічній обробці наклеп неприпустимий.
При робочій температурі понад 700–800 °С наклепповерхневого шару в багатьох випадках виявляєтьсяшкідливим і знижує експлуатаційні якості деталей машин.
Це відбувається тому, що після пластичної деформації металуповерхневого шару при кімнатній температурі збільшується його питомий об’єм ізменшується щільність. Ця обставина сприяє більш швидкому протіканню дифузійнихпроцесів при високій температурі та вигоранню легованих елементів, і тим самимприскорює процеси, що знижують опір металу відриву.
Тривала дія високої температури на наклепаний метал швидко призводитьдо інтенсивного розміцнення його, що знижує загальні експлуатаційні властивостідеталей.
Зі збільшенням ступеня і глибини наклепу жароміцних сплавів їх втомленаміцність при роботі в середовищі з високою температурою знижується (рис. 7).При глибині наклепу 190 мкм, що виникає при чорновому точінні, число циклів Nдо зруйнування сплаву при 700 °С виявляється приблизно у двічінижчим, ніж після електрополірування, яке не викликає наклепу.
/>
Рис. 7. Вплив, глибини наклепу при різних методах обробки жароміцногосплаву на число циклів N дойого зруйнування при високих температурах: 1–електрополірування; 2– полірування після шліфування; 3–шліфування; 4– полірування після точіння; 5– чистове точіння; 6– полірування; 7– чорнове точіння
Різними експериментами було показане суттєве зменшення тривалоїміцності жароміцного сплаву в залежності від глибини наклепу, що виникає прирізних видах обробки. З даних досліджень видно, що при значному наклепі,створюваному дробовоструминною обробкою та обкаткою роликами, тривала міцністьпри стогодинних дослідженнях знижується при 700 °С на 11,5–27%, а при 800 °С – на 15–45 %. Навіть при чистовому точіннінаклеп поверхневого шару зменшує тривалу міцність майже на 10 %.
Ще сильніше проявляється шкідливий вплив наклепу (як поверхневого, такі суцільного) на міцність жароміцних сплавів при циклічних нагріваннях (термовтомленість).Як показує діаграма на рис. 8, при 700 °С час Т до руйнування зразків,наклепаних обдуванням дробом і обкаткою роликами, відповідно у два і шістьразів меншим, ніж у зразків без наклепу (оброблених електрополіруванням).
/>
Рис. 8. Вплив наклепу при різних методах обробки жароміцного сплаву начас до його зруйнування при випробовуванні з циклічним нагріванням: 1 –електрополірування; 2 – шліфування; 3 – полірування після шліфування; 4 –полірування після точіння; 5 – точіння; 6 – обдування дрібом;7 – обкатування роликом
При дослідженнях деяких структурно-стійких сталей при температурі 600–700 °С не спостерігалося шкідливого впливу наклепу, а в деяких випадкахнавіть була виявлена позитивна дія наклепу на міцнісні характеристики цихсталей. Отже, питання про вплив наклепу при помірних робочих температурахпотребує в окремих випадках додаткових уточнень. Проте, в цілому вплив наклепуна міцність деталей машин, що працюють при високих робочих температурах, єшкідливим.
3. Вплив залишкових напружень
Зношування. При терті деталей в металіповерхневого шару відбуваються значні пластичні деформації, що викликаютьінтенсивний наклеп і великі залишкові напруження стискання.
На самому початку процесу тертя деталей залишкові напруження, якістворені в їх поверхневому шарі попередньою обробкою та є за своєю природоюпружними, знімаються під дією пластичних деформацій, що протікають, невстигнувши істотно якось вплинути на процес зношування.
Одночасно у поверхневому шарі в результаті тертя виникають залишковінапруження стискання, які залежать від умов тертя і пластичних властивостейметалів, що труться, і не залежать від величини і знака залишкових напружень, створенихпопередньою обробкою та існуючих у поверхневому шарі до початку тертя.
У зв’язку з цим величина і знак залишкових напружень поверхневого шару,створених попередньою обробкою, не впливають на швидкість та величину зношуванняпри терті ковзання.
Цей висновок відноситься тільки до залишкових напружень поверхневогошару і нормальних умов тертя ковзання в режимі окислювального зношування.
Напружений стан всього перерізу деталі (наприклад, розтягуючі внутрішнінапруження в стінках втулки, що напресована на іншу деталь; розтягуючі внутрішнінапруження у пружновигнутій пластині) може впливати на характер таінтенсивність зношування. Можливим є і вплив напруженого стану при зношуванні вумовах пітінга, при якому значення мають явища втоми металу.
Втомлена міцність деталей суттєво залежить відвеличини, знака і глибини поширення залишкових напружень поверхневого шару.Численними дослідженнями встановлено, що за наявності у поверхневому шарізалишкових напружень стискання межа витривалості деталі підвищується, а занаявності залишкових напружень розтягування – знижується, причому залишкові напруженнястискання суттєво підвищують межу витривалості, ніж знижують його такі ж завеличиною залишкові напруження розтягування. Для сталей підвищеної твердостіпідвищення межі втомленості завдяки дії стискальних напружень досягає 50 %, азниження його під дією розтягальних напружень – 30 %. Вплив залишкових напружень на межу витривалості сталі особливо суттєвий,коли різниця в міцності сталі при розтягуванні та стисканні велика. У зв’язку зцим межа витривалості твердих сталей залежить від величини і знака залишковихнапружень особливо сильно, в той час як у м’яких і пластичних сталей ця залежністьпроявляється менше.
/>
Рис. 9. Вплив залишкових напружень на втомлену міцність деталей зісплаву ВТЗ-1
Графік залежності межі витривалості металів і сплавів ВТ3–від величиниі знака залишкових напружень, утворених при шліфуванні, показаний на рис. 9 ісвідчить про те, що між межею витривалості та залишковими напруженнямиповерхневого шару існує прямий зв’язок, який може бути вираженийспіввідношенням виду:
σ–1 = A – Bσзал,
де σ–1 – межа витривалості металупісля його шліфування;
σзал – залишкові напруженняповерхневого шару, що виникли в результаті шліфування, із врахуванням їх знака;
А і В – постійні величини.
Аналогічні співвідношення були отримані й для інших матеріалів і видівобробки. При цьому експерименти проводилися при кімнатних температурах, томувисновки не можуть відноситись до умов роботи деталей в зоні високихтемператур. При нагріванні деталей, що мають в поверхневому шарі залишковінапруження, відбувається релаксація напружень і їх вплив на межу витривалості послаблюється.
4. Вплив структурних змін металуповерхневого шару
Теплота, що виділяється в зоні різання при різних методах механічноїобробки в певних умовах (напружені режими різання, притуплення різальногоінструмента і засалювання круга надто високої твердості, недостатнє охолодженнятощо), викликає структурні зміни металу поверхневого шару.
При обробці металів, що піддаються загартовуванню, може відбутисьчасткове загартування металу поверхневого шару, а при обробці загартованихметалів – відпущення різного ступеня.
Структурні зміни металу при його механічній обробці і, зокрема, припалиповерхні, що шліфується, є серйозною причиною зниження довговічності деталеймашин.
Ділянки м’якого відпущеного металу мають знижену зносостійкість. Нарис. 10 показано, що деталі із загартованої сталі 40Х, яка має підпалповерхневого шару, зношуються значно інтенсивніше аналогічних деталей безпідпалу.
/>
Рис. 10. Вплив шліфувального припалу на зношування стальних зразків:1– з припалом2– без припалу
Звичайно в зонах відпущеного металу, що має менший питомий об’єм,розвиваються залишкові напруження розтягування, які знижують втомлену міцністьдеталей. При цьому на границях ділянок зміненої структури часто утворюютьсяшліфувальні тріщини, які є осередками втомлених руйнувань деталей.
Межа витривалості зразків з підпалинами (рис. 11)значно нижча за межу витривалості зразків, виготовлених із загартованої сталі40Х без підпалин.
/>
Рис. 11. Вплив шліфувального припалу на межу витривалості сталі 40Х:1– без припалу2– з припалом
Використана література
1. Бондаренко С.Г. Розмірні розрахунки механоскладального виробництва. – К. 1993. – 544 с.
2. Маталин А.А. Технологиямашиностроения. – Л. – М., 1985. – 496 с.
3 Основы технологии машиностроения / Под ред. В.С. Корсакова – М., 1977. – 416 с.
4. Справочник технолога-машиностроителя/ Под. ред. А.Г. Косиловой, О.К Мищерякова.Т. 1. – М… 1985. – 655 с.
5. Руденко П.А., Шуба В.А и др.Отделочные операции в машиностроении. – К.: Техника, 1990. – 150 с.