Меню

Параметры качества поверхностного слоя остаточное напряжение

Параметры состояния поверхностного слоя деталей.

ТЕМА №2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

Содержание лекции: Структура поверхностного слоя. Классификация параметров состояния поверхностного слоя. Геометрические параметры. Физическое состояние. Химический состав. Механическое состояние.

Одним из основных факторов, влияющих на надёжность и долговечность деталей машиностроения, является состояние поверхностного слоя этих деталей. Именно материал поверхностного слоя составляет границу раздела фаз: деталь – окружающая среда; все воздействия на деталь в процессе изготовления и эксплуатации осуществляются через её поверхность; практически все проявления дефектов и нежелательных процессов, таких как трещинообразование, эрозионное и коррозионное разрушение, изменение химического и фазового состава, разупрочнение и т.д., начинаются с поверхности.

Параметры состояния поверхностного слоя деталей.

Поверхностный слой детали – это слой, у которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного материала, из которого сделана деталь. Согласно термодинамике поверхностный слой можно рассматривать как открытую термодинамическую систему, способную обмениваться энергией и веществом с окружающей средой и характеризуемую комплексом интенсивных характеристик

Схема поверхностного слоя детали

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны (рисунок):

1. Зона адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ. Толщина слоя 1 – 0,001 мкм.

2. Зона продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Толщина слоя 10 – 1 мкм.

3. Граничная зона толщиной несколько межатомных расстояний, имеющая иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру.

4. Зона с измененными по сравнению с основным металлом 5 структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации.

Толщина и состояние указанных слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического и механического анализа.

Многообразие параметров состояния поверхностного слоя и методов их оценки не позволяет выделить единственный параметр, определяющий качество поверхностного слоя. Поэтому в научной и инженерной практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных параметров, с той или иной стороны оценивающих качество поверхностного слоя.

Укрупнено эти параметры характеризуют:

þ геометрические параметры неровностей поверхности;

þ физическое состояние;

þ химический состав;

þ механическое состояние.

Геометрические параметры неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов и волнистости.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности детали и рассматриваемых в пределах базовой длины. Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50.

Волнистость поверхности – это совокупность периодически повторяющихся неровностей, имеющих шаг больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости (отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000).

Волнистость возникает, как правило, при обработке деталей резанием как следствие вибрации технологической системы (станок, инструмент, деталь).

Физическое состояние поверхностного слоя деталей наиболее часто характеризует параметрами структуры и фазового состава. Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими.

Механическое состояние металла определяется двумя группами параметров:

þ сопротивления деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

þ пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов.

В процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются. Это явление называют деформационным упрочнением .

В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость определяют на поверхности металла и внутри металла (например, при помощи послойного травления).

Читайте также:  Реле напряжения защита от скачков напряжения 40a

Эпюра распределения твердости
в поверхностном слое после упрочнения

В результате устанавливают толщину упрочненного слоя h H и степень деформационного упрочнения d H (наклёпа):

,

где Н обр и Н иск – соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.

Остаточные напряжения – это упругие напряжения, которые остались в детали после обработки. В зависимости от объема тела, в которых рассчитывают остаточные напряжения, они условно подразделяются на напряжения 1-го, 2-го и 3-го родов:

Остаточные напряжения 3-го рода, уравновешенные в пределах нескольких межатомных расстояний. Эти напряжения обусловлены поглощением энергии пластического деформирования, которая составляет 10 – 15% от общей энергии деформации (остальные 85 – 90% переходят в тепло) и вся эта энергия сохраняется в виде искажений кристаллической решетки. Эти искажения и напряжения характеризуются плотностью дислокаций.

Остаточные напряжения 2-го рода, уравновешенные в пределах размера зерен. Они обусловлены тем, что различные кристаллиты, входящие в зерна имеют различной величины модули упругости и деформируемость одного и того же кристаллита по разным осям различна. Поэтому пластическая деформация кристаллов распределяется в микрообъемах неравномерно, что и связано с возникновением напряжений. Напряжения второго рода могут быть обусловлены фазовыми превращениями материала, вызывающими изменение объема отдельных кристаллов, поскольку различные фазовые структуры имеют различные удельные объемы.

Остаточные напряжения 1-го рода, уравновешенные в макрообъемах тела. Они вызваны неоднородностью силового и температурного полей по всему сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не дает соседним участкам полностью вернуться в исходное положение, в результате чего во всех участках появляются напряжения разного знака.

Одним из важных параметров дислокационной структуры является плотность дислокаций, которые накапливается в материале в процессе его деформации. По мере накопления дислокаций происходит эволюция дислокационной структуры, что обуславливает повышение энергетического уровня металла, изменение его физико-механических, теплофизических, диффузионных и ряда других характеристик.

Известно, что деление остаточных напряжений на напряжения 1-го, 2-го и 3-го родов условно. Все эти напряжения связаны между собой, поскольку являются следствием искажений кристаллической решётки.

Источник



Параметры, определяющие качество поверхностного слоя. Зависимость шероховатости, микротвердости, остаточных напряжений при резании от условий обработки

Качество детали после обработки резанием прежде всего определяется: точностью размеров; – геометрическими параметрами качества – шероховатостью, граностью, бочкообразностью, корсетностью и т.д.; – физическими параметрами – глубиной и степенью наклепа, микроструктурой, остаточными поверхностными напряжениями, дислокационной структурой и т.д.

Влияние скорости резания на шероховатость

Влияние подачи на шероховатость обработанной поверхности. При чистовой обработке повышение подачи чаще ограничивается требуемой низкой шероховатостью обработанной поверхности.

Влияние глубины резания на шероховатость. При работе с резцами ε

to = QM/Q = FП/VДst, где QM — объем металла, подлежащего снятию, мм3, F — поверхность обработки, мм2, П — припуск на сторону, мм, Q — объем металла, снимаемый в единицу времени, мм3/мин, VД, s, t- подачи при шлифовании

Физическая сущность процесса шлифования. Изнашивание и стойкость шлифовальных кругов. Понятие о самозатачивании, засаливании шлифовальных кругов

При шлифовании толщина среза измеряется сотыми и тысячными долями миллиметра. Процесс стружкообразования при снятии тонких стружек в значительной мере определяется отношением K = а/ρ, где а – толщина среза; ρ – радиус округления лезвия. Чем больше K, тем в более благоприятных условиях протекает процесс стружкообразования и становится сходным с процессом стружкообразования при снятии толстых стружек.

Читайте также:  Циклоалканы теория напряжения байера

В зависимости от условий шлифования круг может работать как в режиме затупления, так и в режиме самозатачивания. Под самозатачиванием понимается способность круга обновлять свою рабочую поверхность под влиянием сил резания. Самозатачивание наступает тогда, когда нагрузка и другие условия работы становятся такими, что зерна раскалываются, образуя новые острые выступы. В различных условиях обработки абразивный инструмент подвергается следующим видам износа: хрупкому, адгезионному, диффузионному и абразивному. При работе изношенным кругом возрастают

усилие и темпера- тура резания, появляются вибрации, что ухудшает качество обработанной поверхности. Для исправления геометрической формы круга и восстановления его режущей способности применяют правку, чаще всего алмазным инструментом (карандаши, ролики и т.д.). При правках удаляется более 60…70 % рабочего объема круга.

Дата добавления: 2018-05-02 ; просмотров: 408 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Качество поверхностного слоя обрабатываемой заготовки

­ Качество поверхностного слоя определяется шероховатостью обрабатываемой поверхности и состоянием материала поверхностного слоя. Шероховатость поверхности характеризуется высотой и формой микронеровностей, а состояние материала – его упрочнением, микроструктурой и остаточными напряжениями. При изучении шероховатости рассматривают микронеровность расчетную (геометрическую) и реальную. Геометрическая микронеровность получается при следующих допущениях:

1 – обрабатываемый материал считается полностью недеформируемым; 2 – технологическая система является абсолютно жесткой; 3 – режущие кромки инструмента являются геометрическими линиями.

Из рис.50 расчетную (геометрическую) высоту микронеровностей (высота NK в треугольнике BCK, который определяет остаточную площадь срезаемого слоя) можно найти как:

Rг= .

Реальная микронеровность по сравнению с геометрической отличается в большую сторону как по форме, так и по величине. Данных факт объясняется:

пластическим течением материала (обрабатываемого материала) из зоны стружкообразования в сторону высоты микронеровности, колебаниями режущего инструмента и заготовки в процессе резания, трением задних поверхностей режущего инструмента о поверхности заготовки и неровностями режущих кромок, которые увеличиваются по мере износа инструмента.

На высоту микронеровностей (ее увеличение) оказывает влияние явление наростообразования. Если обрабатываемый материал склонен к наростообразованию, то в зоне скоростей резания, при которых нарост получает максимальное развитие, высота микронеровностей дополнительно увеличивается за счет роста и разрушения нароста (рис.51,а, кривая 2).

На высоту реальных микронеровностей оказывают влияние те же факторы, что и на высоту расчетных неровностей (рис.51). Поэтому при уменьшении подачи (толщины срезаемого слоя) (рис.51,б), углов в плане инструмента (рис.51,в) и увеличении радиуса при вершине инструмента величина неровностей уменьшается. Кроме того, на высоту неровностей влияют факторы, которые изменяют объем пластического деформирования материала и условия трения на контактных поверхностях инструмента. К ним можно отнести механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания и свойства применяемой смазочно – охлаждающей жидкости (СОЖ). Глубина резания (ширина срезаемого слоя) и передний угол инструмента на высоту неровностей значительного влияния не оказывают. С увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала и снижением его пластичности объем пластической деформации уменьшается, и это приводит к уменьшению высоты неровностей. При обработке заготовок из материала не склонного к наростообразованию с увеличением скорости резания высота неровностей уменьшается. Это связано с уменьшением объема пластической деформации и среднего коэффициента трения (рис.51,а, кривая 1). Если обрабатываемый материал склонен к наростообразованию, то высота неровностей находится в прямой зависимости от высоты нароста. В зоне наростообразования высота неровностей возрастает с увеличением высоты нароста, затем снижается по мере уменьшения высоты нароста, а после исчезновения нароста продолжает непрерывно снижаться (рис.51,а, кривая 2). Применение СОЖ, снижающих средний коэффициент трения, вызывает снижение высоты неровностей. С повышением износа инструмента по задней поверхности средний коэффициент трения возрастает и высота неровностей увеличивается (рис.51,г).

Читайте также:  00532 напряжение электропитания 07 10 слишком низкий уровень сигнала непостоянно

При обработке материалов резанием деформации подвергается не только срезаемый слой, но и слой металла, с которого он снимается, т.е. деформация проникает вглубь обрабатываемого материала, изменяет его физико-механические свойства, вызывая его упрочнение (наклеп) (рис.52).

Упрочненный слой характеризуется повышенной твердостью, износостойкостью, пониженной пластичностью. Твердость упрочненного слоя может в 2 и более раз превышать твердость основного материала. Физико-механические свойства упрочненного слоя характеризуются следующими параметрами:

1. Степенью упрочнения материала поверхностного слоя (DHm)

DHm = .

2. Глубиной упрочненного (наклепанного) слоя (h).

3. Величиной, характером распространения и знаком остаточных напряжений.

Упрочнение поверхностного слоя обрабатываемой заготовки вызывают следующие причины: силовые и тепловые нагрузки, возникающие в процессе резания, и структурные превращения, происходящие в поверхностном слое заготовки.

Влияние различных факторов на глубину упрочненного слоя (h) и степень упрочнения (DHm) показано на рис.53.

Упрочнение материала поверхностного слоя связано в основном с деформацией обрабатываемого материала. Степень упрочнения и глубина упрочненного слоя находятся в прямой зависимости от степени деформации срезаемого слоя и действующих сил резания. Поэтому величины DHm и h растут при уменьшении переднего угла (рис.53,в) и увеличения подачи (толщины срезаемого слоя) (рис.53,б). Влияние скорости резания на степень упрочнения такое же, как и на коэффициент укорочения стружки (рис.53,а). Повышение износа инструмента увеличивает степень упрочнения и глубину упрочненного слоя (рис.53,г).

Упрочненный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью, но и большой хрупкостью, поэтому для деталей, работающих на износ он полезен, а для деталей, работающих со знакопеременными нагрузками – вреден.

Основной причиной возникновения остаточных напряжений при лезвийной обработке является силовой фактор, температура имеет второстепенное значение. При абразивной обработке – температурный. При лезвийной обработке пластичных материалов остаточные напряжения

обычно растягивающие, т.е. имеют знак «+», при обработке хрупких материалов – сжимающие ­­«-», при шлифовании – всегда растягивающие. Растягивающие остаточные напряжения ухудшают качество поверхностного слоя из-за снижения усталостной прочности материала. В том случае, когда растягивающие напряжения будут больше предела прочности обрабатываемого материала, то это приведет к образованию поверхностных трещин.

Эпюра изменения остаточных напряжений в зависимости от расстояния Δ от передней поверхности при обработке большинства пластичных материалов показана на рис.54,а. В очень тонком слое толщиной 0,001 – 0,004 мм (зона 1) действуют сжимающие напряжения. В зоне 2, протяженность которой зависит от режима резания и переднего угла инструмента, действуют растягивающие напряжения. Протяженность зоны 2 в 10 и более раз превышает протяженность зоны 1, и поэтому состояние поверхностного слоя определяют характер и величина напряжений в зоне 2. В зоне 3, уравновешивающей действие остаточных напряжений первых двух зон, напряжения сжимающие. Величина и глубина залегания остаточных напряжений зависят от переднего угла инструмента, подачи (толщины поверхностного слоя), скорости резания и степени износа инструмента. При увеличении скорости резания (рис.54,в) абсолютная величина растягивающих остаточных напряжений увеличивается, но глубина их залегания уменьшается. Рост подачи также увеличивает величину растягивающих напряжений, но при этом несколько растет и глубина их залегания (рис.54,б). При переходе от положительных передних углов к отрицательным растягивающие напряжения уменьшаются, но глубина их залегания увеличивается (рис.54,г). С увеличением износа инструмента наблюдается увеличение как величины растягивающих остаточных напряжений, так и глубины их залегания.

Источник