Контент-платформа Pandia.ru:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Машиностроение

 просмотров

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Технология, инструменты и оборудование

машиностроительных производств

УДК 621.891; 621.923

СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР ШЛИФОВАННЫХ

ДЕТАЛЕЙ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ[1]

Представлены результаты экспериментальных исследований формирования приповерхностных слоев деталей из конструкционных материалов при шлифовании и в процессе трения. Описаны физические явления, сопровождающие формирование неравновесных состояний поверхностных слоев.

Ключевые слова: шлифование материалов, трение скольжения, термическое воздействие, силовое воздействие; структурно-фазовое состояние, поверхностный слой.

Ресурс большинства деталей машин определяется в первую очередь состоянием их поверхностных слоев. Выявленное разнообразие структур и фазового состава приповерхностных слоев железоуглеродистых сплавов после абразивной обработки [1] обусловлено прежде всего различными уровнями распределения легирующих элементов, термического и силового воздействий. Последнее является основным условием формирования при шлифовании в поверхностном слое неравновесного структурно-фазового состояния материала. Можно констатировать, что в результате сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения материала при шлифовании формируется микро - и наноструктурированный поверхностный слой дисперсного строения. Ниже этого слоя расположен переходный деформированный слой исходного материала или продуктов его распада.

Показательной иллюстрацией формирования неравновесного состояния материала при шлифовании являются микро - и наноструктуры среднеуглеродистой стали при доминировании силового воздействия (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Приповерхностный слой стали: а микроструктура (×800); б наноструктура (×7000)

При предварительном шлифовании крупнозернистым кругом с открытой структурой приповерхностные зерна значительно вытягиваются вдоль вектора главного движения резания Dr (рис. 1а), нередко образуя сильно дефрагментированную субструктуру из ансамблей зеренных блоков (рис. 1б). Размер блока составляет от 0,1 до 1,0 мкм.

При переходе на чистовые и тонкие режимы шлифования материалов мелкозернистыми и «острыми» кругами с обильным охлаждением (во избежние доминирования температурного фактора) поверхностные зерна не вытягиваются вдоль вектора главного движения резания, а дробятся на крупные зеренные блоки, размер которых в 7…25 раз меньше размера исходного зерна, причем более мелкие блоки расположены ближе к поверхности (рис.2).

Рис. 2. Субмикроструктура (×3000) поверхностного слоя среднеуглеродистой стали после чистового шлифования

Усиление температурного фактора при абразивной обработке приводит к формированию поверхностных слоев с сильно измененным структурно-фазовым состоянием, которые хорошо видны (темные области на рис. 3) после травления ниталем микрошлифов исследуемых сталей[2]. Толщина поверхностного слоя в этих условиях может достигать нескольких десятых миллиметра и зависит в основном от глубины проникновения в материал температур выше критических точек данного железоуглеродистого сплава.

а) б)

Рис.3. Поверхностный слой: а закаленной стали 9ХС (×300); б нержавеющей стали 12Х18Н10Т (×500)

В высокоуглеродистых сталях, особо восприимчивых к термическому воздействию, значительное повышение контактной температуры может вызвать появление микротрещин (рис. 4) и даже отслаивание фрагментов приповерхностных слоев (рис. 5), что крайне негативно сказывается на эксплуатационных показателях детали, в частности на интенсивности изнашивания, поскольку значительно облегчается процесс отделения материала с поверхности трения.

Рис. 4. Микротрещина в поверхностном слое после Рис.5. Отслоение приповерхностного слоя вследствие

шлифования (×1000) высоких контактных температур (×500)

Снижение термического воздействия на обрабатываемый материал (сталь 9ХС) путем уменьшения глубины шлифования и повышения скорости перемещения заготовки содействовало достижению материалом более равновесного структурно-фазового состояния с интенсивным дроблением приповерхностных зерен на блоки размером 70…500 нм. Таким образом, реализация неравновесного структурно-фазового состояния металлического материала при абразивной обработке тем более достижима, чем больше интенсивность термического воздействия шлифовального круга.

Деформирование поверхностных слоев приобретает особое значение в процессе трения сопряженных шлифованных поверхностей. При трении основные изменения материала происходят в тонком (до нескольких микрометров) поверхностном слое. Локализация напряжений и их импульсный характер при трении приводят к генерации деформационных дефектов (точечных дефектов, дислокаций, полос скольжения и др.) [2-4]. Эти дефекты, зарождаясь на поверхности, перемещаются затем на некоторую глубину, обусловливая развитие пластической деформации и дислокационной субмикроструктуры (рис.6) в поверхностном слое. Структура и свойства деформированного слоя определяются исходным состоянием материала, условиями нагружения, температурой и внешней средой, в которой работает пара трения.

Далее представлены результаты, полученные при испытаниях образцов нормализованным методом [5].

Высокие степени деформации контактирующих поверхностных слоев при трении обусловлены ротационным деформированием, нередко сопровождающимся вихревым пластическим течением материала (рис. 7). В результате образуется фрагментированная структура с относительным разворотом ее высокодисперсных фрагментов в плоскости, перпендикулярной поверхности трения и параллельной вектору скорости скольжения.

Рис. 6. Дислокационная субмикроструктура стали Рис. 7. Вихревая деформация приповерхностного слоя

Условия испытаний были подобраны таким образом, чтобы реализовывался усталостный механизм изнашивания при граничном трении. Поэтому большинство поверхностных слоев содержали усталостные повреждения в виде микротрещин, единичных и групповых впадин. В отдельных случаях наблюдалось отслоение поверхностного слоя (рис.8). Причина такого разрушения заключается в разной степени деформации поверхностного слоя и основы. Абразивная обработка и процесс трения существенно изменяют структуру приповерхностных слоев, которые получают более высокую микротвердость, формируя, таким образом, концентратор напряжений. Он и обусловливает отслоение приповерхностных слоев. Особенно ярко это проявляется у нержавеющей стали (рис. 8 б), у которой может отслаиваться сразу несколько приповерхностных слоев.

а) б)

Рис. 8. Отслоение при трении приповерхностного слоя у образца из стали: а 45 (×400); б 12Х18Н10Т (×250)

Увеличение нагрузки на образцы привело к интенсификации схватывания поверхностей, преимущественно у образцов из нержавеющей стали, вследствие образования локальных адгезионных связей, способствующих отделению частиц наклепанного материала с поверхности трения. Очевидно, это объясняется сложностями образования у таких сталей оксидных и окисных пленок, препятствующих схватыванию.

С увеличением температуры в зоне трения меняется микро - и наноструктура, физико-механические свойства материала. Весьма часто при фрикционном разогреве поверхностных слоев среднеуглеродистых сталей образуются вторичные структуры, в том числе и оксидные (рис.9, 10).

Рис. 9. Микроструктура оксидной пленки (×1500) Рис. 10. Внешний вид образца с поверхностями трения,

покрытыми темными оксидными пленками

Обобщая изложенное, можно сделать следующие выводы, необходимые для целенаправленного формирования износостойких поверхностных слоев:

1. Абразивная обработка, обеспечивая периодический сверхскоростной нагрев материала до высоких температур (до 1000 °С) и столь же высокоскоростное охлаждение, приводит к формированию в поверхностном слое неравновесного структурно-фазового состояния. Последнее можно регулировать в широких пределах, вплоть до диспергирования приповерхностных зерен до наноструктурного состояния и образования дислокационной субструктуры с упрочнением железоуглеродистого сплава.

2. При усталостном изнашивании деформация локализована в слоях микро - и субмикроскопической толщины с ультрадисперсными вторичными структурами (в том числе и оксидными), свойства которых зависят от условий трения и исходного состояния приповерхностного слоя.

3. Ротационный характер деформирования материала при трении (а в отдельных случаях и при шлифовании) предопределяет формирование поверхностных слоев с аномально высокой степенью деформации (до нескольких сотен процентов), приводящей к существенному изменению повреждаемости рабочих поверхностей деталей машин и механизмов при их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бишутин, поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке/ . – Брянск: БГТУ, 2009. – 100с.

2. Колубаев, субструктуры поверхностного слоя при трении/ , , // Изв. вузов. Физика. – 1997. – Т.40. – №2. – С.89-95.

3. Попов, механизмов формирования поверхностных слоев при трении/ , // Трение и износ. – 1997. – Т.18. – №6. – С.818-826.

4. Лотков, поверхности. Формирование неравновесных состояний в поверхностных слоях материалов методами электронно-ионно-плазменных технологий/ [и др.]. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 276с.

5. Прудников, триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения/ // Вестн. БГТУ. – 2008. – №2. – С.48-56.

Материал поступил в редколлегию 29.10.09.

[1] Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Президента РФ МД1383.2008.8 и межвузовской научно-технической программы № 000 (МНТП59).

[2] Подготовка микрошлифов осуществлялась при участии проф. .

Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Производство

Основные направления, собранные в один список

Смотрите также

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалоги
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьер

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказЭкономикаРегионы РоссииПрограммы регионов
История: СССРИстория РоссииРоссийская ИмперияВремя2016 год
Окружающий мир: Животные • (Домашние животные) • НасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШкола
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовМуниципалитетыМуниципальные районыМуниципальные образованияМуниципальные программыБюджетные организацииОтчетыПоложенияПостановленияРегламентыТермины(Научная терминология)

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства