 |
Схема воздействия на поверхность режущего клина. Пластическая и упругая деформация слоя.
|
|
|
|
Поверхностные слои любых тел включают в себя наружную поверхность (граничный слой толщиной в 2 ряда атомов материала – 10-6 – 10-7 мм), имею-щую контакт с внешней средой, и нижележащий слой деформированного материала, отличающегося от основной части (сердцевины) своим строением, механическими, физическими и химическими свойствами.
Ниже граничного слоя, покрытого абсорбированными (присоединенными) пленками жиров, водяных паров, окислов (толщиной от 15 – 150 А0 - ангстрем, т.е (1,5 -15,0) 10-8 мм) располагается, как правило, слои сильно деформирован-ного и упрочненного материала.
  
|
У металлов находящихся в ненапряженном состоянии, ниже слоя пленок и окислов, располагается основная поликристаллическая структура – равновес-ных кристаллических зерен «неправильной» формы размером 0,01- 1,00 мм, связанных межзеренной прослойкой (связями). Кристаллические зерна (крис-таллиты) состоят из рядов атомов материала, образующих кристаллические ре-шетки (рис.4.1). Межзеренная прослойка (связи) имеет искаженную кристалличес-
кую решетку – смещение некоторых ато-
мов и их размещение между атомных уз-
улов (дислоцированные – смещенные
атомы). Кроме этого, наличие примесей
в основном металле атомов других ме-
таллов и материалов (чужеродных ато-
мов) ослабляет сцепление слоев. При на- Рис.4.1.Расположение атомов в зоне
греве межзеренные прослойки становят- дислокации
ся более вязкие, по ним при действии сил происходит сдвиг и иногда отрыв от зерен. Толщина прослоек составляет 5 -20 атомных слоев.
В кристаллических зернах (кристаллитах) всегда существую атомы, облада-ющие энергией большей, чем энергия соседних атомов, что обеспечивает их пе-ремещение, т.е. создание в каком-либо месте кристаллической решетки пустоты (вакансии) и занятие ими новых мест между атомами (т.е. дислоцированных атомов). Наличие дислокаций, вакансий, атомов примесей, межзеренных слоев существенно снижают фактическую прочность металлов по сравнению с теоре-тической (например у железа в 80 раз, у никеля в 45 раз, у меди в 1500 раз). Межатомные связи образуются силами электрического притяжения ионов и электронов) и силами отталкивания электронов.
|
|
|
Колебание величин и направлений пластической и упругой деформации (микроперемещений) соседних кристаллических зерен вызывает в них микро-скопические напряжений второго рода.
В результате пластической деформации металла поверхностного слоя при механической обработке, фазовых превращений металла и теплового воздей-ствия в этом слое формируются микроскопические остаточные напряжения первого рода. Напряжения первого рода могут быть положительными и отрица-тельными.
Приложения внешней нагрузки к элементу заготовки вызывает на первой стадии упругую деформацию (т.е. когда деформация пропорциональна прило-женной нагрузке и после снятия нагрузки элемент заготовки возвращается в исходное положение) и на второй стадии – пластическую деформацию (при этом начинается пластическое течение металла, при котором атомы зоны деформации окончательно перемещаются из одного места решетки в другое и при снятии внешней нагрузки не возвращаются в исходное состояние).
Сдвигообразование в кристаллах (т.е. пластическая деформация) под дей-ствием внешних сил представляет собой движение имеющихся и возникающих дислокаций по поверхностям скольжения и под действие дополнительного генерирования новых дислокаций, зависящих от величины приложенных внешних сил. Дислокации влияют на плотность, электро - и теплопроводность.
|
|
|
При обработке металлов резанием, обкаткой поверхностей роликами и ша-риками, дробеструйной обработкой, чеканкой сопровождается деформацион-ным упрочнением (наклепом) металла, что является следствием упрочнения плотности дислокации и некоторому ограничению перемещения дислокаций.
Однако наиболее перспективными в настоящее время является создание без-
дефектных и малоразмерных нитевидных кристаллов (в´ℓ» 0,05..2 ´ 2-10мм в виде «усов»), что может повысить прочность металлов в 15 - 40 раз. Кроме этого в 10 – 100 раз возрастает упругая деформация материалов.
Пластическая деформация и деформационное упрочнение поверхностного слоя приводят металл в структурно неустойчивое состояние. В связи с этим в металле возникают релаксационные (возвратные) явления разупрочнения, возвращающие металл в более устойчивое первоначальное состояние.
Разупрочнением называют процесс снятия деформационного упрочнения поверхности заготовки, созданного пластической деформацией.
Наиболее широко применяемым процессом восстановления механических свойств металлов после деформационного упрочнения является термическая обработка – нагрев заготовки до 200-400 °С (иногда и более) и относительное медленное охлаждение (термостабилизация).
При механической обработке поверхностей заготовки одновременно про-текают процессы деформационного упрочнения (наклепа за счет пластической деформации) и разупрочнения. Конечное состояние металла поверхностного слоя зависти от преобладания в зоне резания силового (т.е. деформационного) или теплового фактора.
Деформационное упрочнение зависит от вида механической обработки (точение, фрезерование, шлифование, накатка и др.), режимов обработки (скорости обработки, подачи и глубины резания) и геометрии режущего инструмента, т.е. от степени деформации, времени обработки и действующих сил резания.
Рост скорости резания способствует увеличению температуры нагрева, а,
следовательно, и разупрочнению (в особенности при шлифовании, точении и
фрезеровании высокопрочных и закаленных поверхностей). Увеличение подач и глубины резания повышает степень наклепа.
При механической обработке заготовок в поверхностном слое возникают
|
|
|
остаточные напряжения, вызванные следующими причинами:
1.При воздействии режущего клина инструмента на поверхность заготовки
в поверхностном слое возникают преимущественно сжимающие напряжения, а в нижележащих слоях – растягивающие остаточные напряжения.
    Примеси +
  Зерно
клин
|
Связи - Режущий
2.При срезании припуска режущий клин инструмента сдвигает и вытягивает кристаллические зерна верхней части поверхностного слоя, трение задней поверхности клина о обрабатываемую поверхность способствует также сдвигу зерен. В результате в верхней части поверхностного слоя чаще всего фор-мируются остаточные напряжения сжатия (+), а в нижней части напряжения растяжения (-) – рис.4.2.
2.Выделяющееся в зоне резания тепло быст-
ро нагревает поверхностные слои до высоких температур, а после ухода режущего клина из предыдущей зоны резания, зона быстро охлаж-дается внутренними слоями. В результате во
внешних частях поверхностно слоя формируют-
ются остаточные напряжения растяжения, а ни- Рис.4.2.Схема воздействия ре-
жележащих – напряжения сжатия. жущего клина на кристалличес-
Результирующим напряжением в поверхно- кие зерна и формирование ос-
стном слое после механической обработки в таточных напряжений
зависимости от видов и режимов обработки,
геометрии режущего инструмента, фазовых превращений может быть как положительные (сжимающие), так и отрицательные (растягивающие) напряже-ния – при интенсивном нагреве поверхностного слоя чаще всего отрицатель-ные, при преимущественном силовом воздействии – положительные.
Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев наличие остаточ-
ных напряжений в поверхностном слое нежелательно, т.к. их наличие может со временем вызвать определенную деформацию изготовленной детали.
|
|
|
Поэтому при изготовлении ответственных деталей тех или иных изделий после предварительной механической обработки поверхностей заготовки про-изводят операции термической обработки (так называемые операции термо-стабилизации), обеспечивающие уменьшение размеров кристаллических зерен металла и существенное снижение или ликвидацию остаточных напряжений и искажение кристаллической решетки металла заготовки.
Хотя следует отметить, что в некоторых случаях специально формируют
наклеп, т.к. сжимающие остаточные напряжения увеличивают усталостную прочность отдельных поверхностей детали (галтелей, поверхностей сопряжения с гарантированным натягом и др.)
|
|
|
