Качество поверхностного слоя деталей машин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение  
высшего профессионального образования

«Сибирский  государственный аэрокосмический университет

имени академика  М.Ф. Решетнева»

 

 

Факультет машиноведения  и мехатроники

 

Кафедра  УКС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Качество поверхностного слоя деталей машин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

Красноярск 2012

 

 

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………...3             

1.Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин…………...……5

2. Структурные несовершенства в реальных кристаллах…………….…….......9

Список литературы…………………………………………….………...…....13

Заключение……………………………………………………………….……14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Обеспечение и  повышение качества изделий машиностроения  — задача многоплановая. Особую  роль в ее решении играет  технология машиностроения, так  как именно через нее реализуются  новые конструкторские разработки, обосновывается заданная точность  деталей машин, свойства поверхностного  слоя (ПС) и качество сборки.

В процессе эксплуатации ПС деталей подвергается наиболее сильному механическому и физико-химическому  воздействию. Поэтому в подавляющем  большинстве случаев разрушение деталей начинается с ПС. Характерно следующее высказывание аналитика  К.С. Колесникова о роли ПС в проблеме качества машин: "...основными технологическими методами машиностроительных производств  создаются машины, которые при  рациональных конструктивных формах и  правильном выборе материалов могут  быть легкими, жесткими и прочными. Однако долговечность работы машин  будет зависеть от того, как быстро или медленно будут изнашиваться различные трущиеся поверхности, как  быстро или медленно будут возникать  и развиваться трещины, особенно при знакопеременных нагрузках, т.е. долговечность будет зависеть от качества ПС детали".

По ПС накоплен большой, но недостаточно обобщенный и систематизированный  экспериментальный материал, выполнены  серьезные теоретические разработки, в частности по микрогеометрии ПС, которые служат базой для создания рациональных технологических процессов  и изготовления деталей различных  классов из металлических и не металлических материалов. Однако, актуальность проблемы ПС за последние  годы не только не уменьшалась, но еще  более возросла. Основными причинами  этого являются:

1) повышение требований  к качеству машин, в первую  очередь к их надежности и  долговечности;

2) усложнение условий  работы машин в связи с интенсификацией  режимов, повышением рабочих параметров, воздействием окружающей среды  (высоких температур, давлений, агрессивных  сред, вакуума, радиационного облучения  и др.);

3) все более широкое  использование высокопрочных, жаропрочных,  жаростойких, коррозионных и радиационностойких  сталей и сплавов, материалов  со специальными свойствами в  виде монокристаллов и поликристаллов (на основе титана, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена, ниобия  и др.), которые обладают высокой  чувствительностью к состоянию  ПС;

4) необходимость изготовления  ультрапрецизионных деталей и  создания нанотехнологий, обеспечивающих  точность деталей, измеряемую  микронами, шероховатость и искаженный  ПС - нанометрами (10 м), особые физико-химические  свойства ПС (отражательную способность,  лучевую стойкость, выход электронов  и др.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин

Поверхностный слой детали – это  слой, у которого структура, фазовый и

химический состав отличаются от основного материала,  из которого сделана

деталь.

Рис.1.1. Схема поверхностного слоя детали

В поверхностном слое можно  выделить следующие основные зоны

(рис.1.1): 

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

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

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

4. с измененными параметрами  по сравнению с основным металлом;

5. со 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.  На практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных свойств, которые оценивают качество поверхностного слоя.

Эти параметры характеризуют:

• геометрические параметры  неровностей поверхности;

• физическое состояние;

• химический состав;

• механическое состояние.

Геометрические параметры  неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов, волнистости. Шероховатость поверхности –  это совокупность неровностей относительно малыми шагами.  Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50.

Волнистость поверхности  – это  совокупность неровностей, имеющих шаг

больший,  чем базовая  длина,  используемая для измерения  шероховатости.

Отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000. Волнистость в России не стандартизирована,  поэтому для ее оценки используют параметры шероховатости.

Регулярные микрорельефы –  это неровности,  которые,  в отличие от шероховатости и волнистости,  одинаковы по форме,  размерам и взаиморасположению.

Регулярный микрорельеф  получают обработкой резанием или поверхностным пластическим деформированием роликами,  шариками, алмазами.

Физическое состояние  поверхностного слоя деталей в технологии упрочнения наиболее часто характеризуется параметрами структуры и фазового состава.

Структура – это характеристика металла, зависящая от методов изучения

его строения. Выделяют следующие  типы структур:

• кристаллическая;

• субструктура;

• микроструктура;

• макроструктура.

Кристаллическая структура. Металлы представляют собой кристаллы  с трехмерной периодичностью.  Основой кристаллической структуры является

трехмерная решетка,  в  пространстве которой располагаются  атомы.  В зависимости от характера расположения атомов в кристаллической решетке

структуры чистых металлов разделяются на ряд типов (рис.1.2).

Субструктура.   В реальном металле кристаллическая структура  имеет множество дефектов,  которые в значительной    степени определяют его свойства.  Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называется субструктурой.  Здесь кристаллы могут образовывать более крупные фрагменты –  кристаллиты,  блоки,  зерна,

фрагменты, полигоны. Размер субмикрозерна: 10,2÷10,5 см.

Микроструктура –  это    структура,  определяемая с помощью металлографических микроскопов. Этот анализ позволяет определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава.

Размер субзерна: 10,3÷10,4 см.

Рис.1.2. Типы кристаллической  структуры:

а - объемно - центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в - гексагонально-плотноупакованная

Макроструктура – это  структура, которая определяется невооруженным глазом или при небольших увеличениях.  С помощью макроанализа  определяют трещины, неметаллические включения, примеси и др.

Физическое состояние  характеризуется числом и концентрацией  фаз, распределением фаз по поверхностному слою, объемом сплава и др.

Исследование физического  состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела:  дифракционными и микроскопическими. 

Химический состав характеризуется  элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, сплава и др.  Исследования химического состава поверхностного слоя позволяют оценить адсорбцию из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ,  диффузионные процессы,  процессы окисления и другие, происходящие при обработке металлов.

Механическое состояние  металла определяется параметрами:

  -  сопротивлением  деформированию:  предел упругости,  предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

-  пластичностью:  относительное  удлинение,  относительное сужение,  ударная вязкость и другие,  устанавливаемые специальными испытаниями образцов.

Например,  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 измеряют на поверхности металла и внутри металла (при помощи послойного травления).  В результате устанавливают толщину упрочненного слоя hH и степень деформационного упрочнения δн:

δн=(Нобр-Ниск)/ Ниск, где Нобр и Ниск - соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.

Важной характеристикой  состояния поверхностного слоя являются

остаточные напряжения.

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

остаточные напряжения:

- первого рода, уравновешенные  в макрообъемах тела;

- второго рода, уравновешенные  в пределах размера зерен; 

-  третьего рода,  уравновешенные  в пределах нескольких межатомных расстояний.

В зависимости от характера  и интенсивности физико-механических

процессов, происходящих при  обработке, остаточные напряжения могут иметь различный знак: 

(+) - растягивание; 

(-) - сжимание.

Условие равновесия требует, чтобы в объеме детали сумма проекций всех сил была равна нулю.  Поэтому в детали есть область со сжимающими и растягивающими остаточными напряжениями.

Остаточные напряжения оказывают  существенное влияние на прочность  и долговечность деталей машин и конструкций.  Остаточные сжимающие напряжения,  возникающие в поверхностном слое,  повышают циклическую

прочность деталей,  т.к.  они разгружают поверхностные слои от напряжений, вызванных нагрузками и,  наоборот,  растягивающие остаточные напряжения уменьшают прочность деталей вследствие повышения напряженности поверхностного слоя.

2. Структурные несовершенства  в реальных кристаллах

В соответствии с современными взглядами на строение металла, существенное различие теоретической и физической прочности объясняется наличием структурных несовершенств (дефектов) кристаллов.

Структурные дефекты оказывают  существенное влияние на упрочнение и разрушение металла при обработке.

Структурные несовершенства в кристаллах возникают в результате кристаллизации металла,  термической обработки, пластической деформации и др.

Структурные несовершенства  (дефекты)  кристалла по геометрическому

признаку подразделяются на 4 группы:

• точечные;

• линейные;

• поверхностные (плоские);

• объемные.

Рис.1.3. Точечные дефекты  в плоскости простой кубической решетки:

А - дислоцированный атом; В -  вакансии

Точечные дефекты по своим  размерам сопоставимы с размерами  атома. В чистых кристаллах возможны два типа точечных дефектов (рис.1.3):

• вакансии;

• межузельные атомы.

Вакансии образуются при  удалении атома из узла решетки, а  межузельный атом при введении атома в межузельное пространство. Образование вакансий и межузельных атомов связано с тем,  что колеблющиеся около положения равновесия атомы могут под влиянием привнесенной извне энергии выходить из положения равновесия, образуя после себя в узле кристаллической решетки пустоту  (вакансию)  и,  соответственно, межузельный атом.  Множество вакансий и межузельных атомов может быть

увеличено резким охлаждением  металла, пластичной деформацией, облучением высокоэнергетическими лучами, магнитным полем и др.

Линейные дефекты кристаллической  решетки имеют размеры,  близкие  к атомным в двух измерениях и значительную протяженность в третьем. К этому виду дефектов относятся дислокации,  простейшими из которых являются краевые и винтовые.

К линейным относят смешанные  дислокации, в которых содержатся части в виде краевой и винтовой дислокации.

Поверхностные дислокации –  это дефекты,  имеющие значительную протяженность в двух направлениях.  К ним относятся границы между субзернами, зернами, межфазные границы, дефекты упаковки кристаллической решетки, скопление дислокаций в одной плоскости и др.

Объемные дефекты имеют  протяженность во всех трех измерениях.  К этим дефектам относится совокупность точечных, линейных и поверхностных дефектов, которые приводят к искажению кристаллической решетки в больших объемах кристалла. Кроме того,  к объемным дефектам относят наличие фаз,  дисперсных выделений,  различных включений,  а также неравномерность распределения напряжений и деформаций в макрообъемах.  Наличие дефектов кристаллической решетки вызывает ее искажение.

Дислокации возникают  при кристаллизации или охлаждении кристаллов после исчезновения жидкой фазы.

В теории дислокации рассматриваются  множественные механизмы возникновения дислокаций.  Все они сводятся к возникновению локальных

участков концентрации напряжений на границе твердых и жидких фаз.  Эта концентрация возникает в результате термических градиентов,  изменения состава и структуры кристалла,  наличия примесей,  вакансий,  различных случайностей рода кристаллов,  размножения зародившихся на первых этапах кристаллизации дислокаций и др. 

В поликристаллических телах  (металлах)  кристаллы  (зерна)  отличаются

пространственной ориентацией. Внутри зерен существуют субзерна, в которых имеются блоки, разориентированные относительно друг от друга на угол менее 10 . Границы зерен и блоков являются источниками зарождения дислокаций.

Возникновение дислокаций приводит к возникновению дефектов упаковки,

т.е. нарушению чередования  слоев кристаллической решетки. 

Дислокации,  возникшие  при кристаллизации,  имеют свойства размножаться или исчезать при пластической деформации, термообработки или других видах энергетического воздействия. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

При открытой рыночной экономике  расширение промышленного производства невозможно без решения проблем  повышения качества и конкурентоспособности  выпускаемых машин. Одной из важных задач при обеспечении качества машины является повышение эксплуатационных показателей их деталей. Эти показатели определяются параметрами качества поверхностного слоя. Известно, что  до 70% причин выхода из строя машин  и механизмов связано с износом  узлов трения. Следовательно, одним  из направлений обеспечения качества машин является повышение износостойкости  этих деталей, которое может быть достигнуто путем включения периода  приработки на стадию изготовления за счет применения соответствующих технологических  процессов изготовления. Износ зависит  от многих параметров качества поверхностного слоя, поэтому важно знать возможности  управления комплексом этих параметров в процессе обработки, включая геометрические, механические, физические и химические структурные свойства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Материаловедение и технология материалов:  учебник для втузов/  Г.П.  Фетисов  [и др.].- М.: Высш.  шк., 2000.- 638  с.:  ил. – ISBN 5-06-003616-2.

2. Прикладная механика:  учебник для вузов/  В.В.  Джамай  [и др.]; под общ. ред. В.В. Джамая.- М.: Дрофа, 2004.- 414 с.: ил.-ISBN 5-7107-6232-6.

3. Лахтин,  Ю.М.  Химико-термическая обработка металлов: учеб.  пособие/  Ю.М.  Лахтин,  Б.Н.Арзамасов.-М.:  Металлургия, 1985.- 256 с.: ил.-ISBN 5-333-04260-Х.