Физико-механические основы поверхностного пластического деформирования

В условиях эксплуатации физико-механические свойства поверхностного слоя детали изменяются наиболее сильно под действием силовых, температурных и других факторов. С другой стороны от качества поверхностного слоя в значительной степени зависят эксплуатационные свойства детали - сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. Желательно, чтобы поверхность детали была достаточно твердой, имела сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью опорной поверхности. Поверхностный слой детали часто не отвечает этим требованиям и после механической обработки при изготовлении, и в результате эксплуатации, и после восстановления износа детали некоторыми способами (электродуговой наплавкой, гальваническими покрытиями).

Оптимальное качество поверхностного слоя может быть достигнуто поверхностным пластическим деформированием (ППД), при котором происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, сопротивление усталости. Применением ППД удается повысить запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,5…3 раза.

В первоначальный момент ППД в результате силового воздействия инструмента (индентора) образуется отпечаток, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или серию отпечатков (рис.36). Считают, что при достаточно полном перекрытии поверхности отпечатками толщина пластически деформированного слоя h_пл соответствует размерам очага деформации от единичного вдавливания. Для практических расчетов глубины распространения пластической деформации под отпечатком наибольшее распространение имеет формула:

где Р – усилие, приложенное к инструменту, Н;

s_0,2 – условный предел текучести, МПа.

Если принять, что между пределом текучести и твердостью по Бринелю есть постоянное соотношение (для сталей s_0,2 = НВ/3), то можно выразить глубину пластически деформированного слоя по-другому.

                                               h_пл = К_плd,

где К_пл – коэффициент, принимаемый для сталей равным 1,5;

d – диаметр отпечатка.

В качестве основного показателя меры деформирования, характеризующего степень наклепа конкретных материалов, принимают отношение:

                                  e = d/D ,

где D – диаметр вдавливаемой сферы.

Для конструкционных сталей при разных способах ППД e = 0,3…0,7. В зависимости от этой деформации изменяются свойства поверхностного слоя (рис.37).

При наклёпе вследствие массового развития в металле дислокаций и вакансий уменьшается его плотность, а следовательно увеличивается удельный объем. Поверхностные слои металла, получившие наклеп стремятся занять больший объем, чему препятствуют нижележащие слои, не затронутые пластической деформацией. В результате в поверхностных слоях развиваются остаточные напряжения сжатия.

Чем больше степень упрочнения, повышение твердости поверхностного слоя, тем больше остаточные напряжения сжатия и вероятность коробления детали при ее недостаточной жесткости.

По характеру воздействия на поверхностный слой схемы пластического деформирования могут существенно отличаться, в разной степени обеспечивая повышение твердости, поверхностные сжимающие остаточные напряжения, снижение шероховатости и увеличения радиуса скручивания микронеровностей.

Одним из основных признаков классификации способов ППД считают статический или динамический характер воздействия, определяющий в значительной степени другие отличительные признаки способов. При статическом воздействии реализуется жесткая связь инструмента с источником движения, и основной параметр, определяющий упрочнение поверхности, - сила с которой инструмент воздействует на обрабатываемую поверхность. При динамическом воздействии жесткая связь инструмента или деформирующего тела с источником движения отсутствует или существует нежесткая (упругая) связь, а степень упрочнения поверхности определяется массой деформирующих тел, их скоростью и временем обработки при их многократном воздействии. Статические методы, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности, но и меньшую степень упрочнения, чем динамические.

При равенстве диаметров отпечатков d глубину наклепанного слоя считают практически равной при однократном статическом и динамическом нагружении. Но ударное вдавливание по сравнению со статическим требует в 1,7…2,8 раза больше энергии, причем, чем больше твердость, тем разница меньше. Одна из причин этого – увеличение значения постоянной пластичности при высоких скоростях деформирования. Например, для стали 45 постоянная пластичности увеличивается в 3 раза при скоростях деформирования порядка 100 м/с. Кроме того, надо иметь в виду, что при интенсивных режимах ППД локальные участки поверхностного слоя нагреваются: при статических способах – до 300…400° С, при ударных способах – до 800…1000° С.

Статические способы по характеру кинематического взаимодействия инструмента с поверхностью или по виду трения в контакте можно разделить на способы с контактом скольжения и способы с контактом качения. Способы упрочнения с контактом скольжения обеспечивают существенное снижение шероховатости. При контакте качения – обкатывании (раскатывании) отпечаток может иметь разную форму в зависимости от конфигурации инструмента, кривизны поверхности и угла между осью инструмента и поверхностью. Неоднородность упрочненной поверхности и шероховатости в значительной степени вызываются неравномерностью микронеровностей исходной поверхности (кроме неравномерности силы обкатывания, вибраций станка и других погрешностей).

Динамическое воздействие на упрочняемую поверхность создается различным образом: путем придания определенных параметров струе дроби или стальным шарикам с помощью сжатого воздуха, давления жидкости; посредством использования центробежных сил, пневматических или пружинных устройств (табл. 3 раздаточного материала). Поскольку скорость и масса инструмента могут при этом варьироваться в широких пределах, ударная обработка может обеспечивать большую глубину и большую степень упрочнения. Однако шероховатость обработанной таким образом поверхности обычно увеличивается и увеличивается опасность перенаклепа.

Перенаклеп внешне проявляется в виде появления микротрещин и отслаиваний (в виде чешуек) при большой величине и неоднородности поверхностных остаточных напряжений. С увеличением глубины и степени упрочнения увеличивается абсолютное значение и глубина залегания остаточных напряжений, неоднородных по толщине. В очень тонких слоях непосредственно под индентором из-за тормозящего действия сил трения напряжения могут быть растягивающими, а затем в основном сжимающие. Глубина залегания остаточных напряжений на 10-50% глубже наклепа.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: