Изменения состояния материала в поверхностном слое

В процессе резания при механической обработке деформации и разрушению подвергается не только срезаемый слой материала, но и поверхностный слой обработанной поверхности. На рис.9.2 приведена схема стружкообразования при резании резцом. Лезвие инструмента практически всегда либо имеет некоторый радиус округления, как на рис. 9.2, либо площадку износа на задней грани. И в том и в другом случае кроме отделения некоторого слоя материала по плоскости скалывания а-а имеет место упругая и пластическая деформация в поверхностном слое обработанной поверхности. Деформирующей силой выступает радиальная составляющая силы резания. После прохождения резца деформированный слой упруго восстанавливается на некоторую величину t_упр, что как бы уменьшает назначенную глубину резания t. В результате ниже граничного слоя располагается слой сильно деформированного и упрочненного материала. Кроме того, на поверхностный слой обработанной поверхности оказывает влияние и сила трения, которая нагружает и дополнительно деформирует зерна материала в направлении движения V инструмента, служит дополнительным источником теплообразования. Часть теплоты резания и трения переходит в обрабатываемую деталь. Эта часть зависит от конструкции инструмента, теплопроводности обрабатываемого материала, параметров режима резания, условий теплоотвода из зоны резания, свойств смазывающее-охлаждающей жидкости и др. Этой теплоты может быть достаточно для изменений как физико-механических свойств, так даже и фазового состава структуры материала. Например, при шлифовании закаленных сталей часто наблюдается отпущенный поверхностный слой с измененным фазовым составом и, как следствие, с пониженной твердостью.

Рис. 9.2. Схема стружкообразования при обработке резанием

Поэтому при достижении требуемых свойств поверхностного слоя материала во время обработки заготовок необходимо управлять процессами их формирования. Для этого нужно представлять механизм изменений состояния материала в поверхностном слое и влияние технологических факторов на результат.

Все металлы и их сплавы имеют зернистую структуру. Зерна имеют поликристаллическую структуру и состоят из отдельных разнонаправленных кристаллитов или блоков мозаики. Внутри блока мозаики или кристаллита металл имеет правильную кристаллическую решетку.

Приложение внешней нагрузки сначала вызывает упругую деформацию. Она заключается в том, что под действием внешней силы нарушается равновесие сил взаимодействия атомов в кристаллической решетке и атомы незначительно смещаются, занимая новые устойчивые положения. Твердое тело при этом несколько изменяет свою форму (растягивается или сжимается). Но при снятии нагрузки атомы возвращаются в прежнее устойчивое положение, соответствующее нормальному строению кристаллической решетки, и твердое тело приобретает начальную форму.

При увеличении внешней нагрузки наступает предел, после которого начинается пластическое течение металла, в результате чего атомы окончательно перемещаются из одного места решетки в другое и после снятия внешней нагрузки уже не возвращаются в начальное положение. Твердое тело приобретает измененную форму. Считается, что пластические сдвиги в отдельном кристалле представляют собой движение дислокаций по плоскостям скольжения. Большая пластическая деформация достигается за счет возникновения новых дислокаций, т.е. происходит размножение дислокаций. Интенсивность генерирования новых дислокаций зависит от уровня внешних приложенных напряжений: при повышении этого уровня в 1,4 раза наблюдалось увеличение плотности дислокаций в 1000 раз [5]. Увеличение количества дислокаций в единице объема металла приводит к уменьшению его плотности, т.е. кристаллическая решетка как бы «разбухает», занимая больший объем. Если не весь объем материала твердого тела подвергается пластической деформации, то в результате этого разбухания после снятия внешней нагрузки возникает напряженное состояние: упруго деформированная часть стремится вернуться в первоначальное состояние, но так как сплошность материала не нарушена, она стремится вернуть в первоначальное состояние и пластически сдеформированную часть. Но этому возврату препятствует больший объем пластически деформированной части. В результате упруго деформированная часть полностью не возвращается в первоначальное состояние и остается частично растянутой, сжимая упруго пластически деформированную часть.

Движение дислокаций по плоскостям скольжения затрудняют разнообразные препятствия в виде других многочисленных дислокаций, атомов примесей и адсорбированных атомов, дисперсных фаз и др. На участках преодоления таких препятствий сопротивление перемещению дислокаций резко возрастает, затрачивается дополнительная энергия на их преодоление и кристаллическая решетка искажается. Результатом этих процессов является деформационное упрочнение (наклеп) металла. Упрочнение поверхностного слоя материала при обработке резанием, и особенно различными методами упрочняющей технологии (обкаткой роликами и шариками, дробеструйным наклепом, виброупрочняющими способами и др.) в значительной степени объясняется увеличением плотности дислокаций в деформированных объемах металла.

Деформационное упрочнение металла в большой мере зависит от напряженного состояния в субмикроскопической области – в объемах кристаллической решетки отдельных кристаллитов, и в микроскопических областях зерен – между кристаллитами внутри одного зерна.

Если всю энергию, которая расходуется на пластическую деформацию, принять за 100%, то большая ее часть (75 – 90%) небратимо превращается в теплоту, а 10 – 15% поглощается кристаллической решеткой. Эта поглощенная энергия переводит металл из устойчивого (неупрочненного) состояния в упрочненное. При этом практически вся накопленная в металле энергия сохраняется в нем в виде искажений кристаллической решетки, которые проявляют себя в виде напряжений третьего рода (внутрикристаллических). Другими источниками напряжений третьего рода являются внедренные в кристаллическую решетку атомы других металлов или веществ. В зависимости от размеров этих внедренных атомов возможны как растяжения, так и сжатия решетки, которые создают силовые поля, распространяющиеся по всем направлениям.

Каждое зерно металла представляет собой поликристалл, состоящий из множества разноориентированных своими кристаллографическими осями кристаллитов. Каждый кристаллит обладает, во-первых, своей величиной модуля упругости и, во-вторых, разной деформируемостью вдоль различных кристаллографических осей. При пластической деформации зерна (поликристалла) сплошность металла не нарушается, т.е. происходит совместная деформация различных его элементов. Поэтому разные кристаллиты при деформировании внешней силой получат неодинаковую (неравномерную) по величине деформацию в направлении этой силы. Степень неравномерности достигает 400 – 500%. В результате между различно деформированными кристаллитами после снятия нагрузки возникают остаточные напряжения второго рода, уравновешивающиеся в пределах зерна поликристалла (в микроскопической области).

Другим источником напряжений второго рода могут быть фазовые превращения в металлах и сплавах, так как разные фазовые структуры имеют разные удельные объемы. Например, в перлите напряжения такого рода достигают 75 МПа, в закаленной малоуглеродистой стали – порядка 500 – 600 МПа, в высокоуглеродистой стали – до 1600 МПа [5].

В результате пластической деформации поверхностного слоя металла при обработке резанием, пластическим деформированием, а также фазовых превращений вследствие тепловых воздействий в обработанной детали формируются макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), которые уравновешиваются в пределах областей, по размерам сопоставимых с размерами тела. Эти напряжения развиваются в тех случаях, когда степень пластической деформации неоднородна по сечению деформируемого металла, а это как раз всегда имеет место при обработке деталей резанием (см. рис. 9.2). При обработке резанием в поверхностном слое происходит дробление, поворот и вытягивание кристаллических зерен в направлении деформирующей силы и формируется текстура деформации, придающая структуре видимость волокнистого строения. Когда внешняя нагрузка снимается, участок металла, растянутый больше других и получивший пластическую деформацию, не дает соседним областям (сердцевине детали) полностью вернуться в первоначальное положение после упругой деформации, которой они подвергались. В результате в обоих областях возникают остаточные напряжения разного знака. Область, первоначально наиболее растянутая и пластически деформированная окажется в состоянии остаточного сжатия, а смежная с ней – в состоянии растяжения.

Итак, при обработке поверхностный слой материала детали претерпевает пластическую деформацию, которая сопровождается деформационным упрочнением. Причины этого упрочнения:

· увеличение плотности и торможение дислокаций;

· искажения кристаллической решетки, приводящие к напряжениям третьего рода;

· неоднородность деформации отдельных зерен и кристаллитов внутри зерна, которая приводит к появлению напряжений второго рода.

Все это вместе взятое приводит металл в структурно неустойчивое состояние. После обработки и даже вовремя обработки самопроизвольно возникают релаксационные явления, приводящие к разупрочнению и возвращающие металл в более устойчивое состояние. Разупрочнение (его еще называют отдыхом) состоит в снятии деформационного упрочнения, созданного пластической деформацией. Скорость разупрочнения зависит от температуры нагрева металла и степенью его упрочнения. Чем сильнее упрочнен металл, чем дальше он от состояния равновесия, тем быстрее и полнее идет процесс разупрочнения. Обработка резанием сопровождается значительным теплообразованием, что ускоряет разупрочнение. Поэтому во время обработки одновременно протекают два противоположных по своим результатам процесса – упрочнение и разупрочнение. Конечное состояние металла в поверхностном слое, очевидно, определяется как способностью к упрочнению самого металла, так и условиями, в которых проводится обработка, в том числе параметрами режима. В тех случаях, когда необходимо избавиться от последствий пластической деформации в поверхностном слое и организовать управляемое разупрочнение, необходимо иметь в виду, что степень разупрочнения (отдыха) растет при повышении а) температуры, б) продолжительности отдыха, в) степени упрочнения, г) при росте стимулирующих протекание отдыха внешних напряжений, приложенных к детали.