Файл: Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом.pdf

Известно, что механические свойства металла зави­ сят от величины молекулярных сил в кристаллической решетке. Фактическая прочность металла или сплава в десятки и сотни раз меньше теоретического значения сил междуатомного сцепления. Современная физика объяс­ няет этот факт наличием в кристаллической решетке ряда несовершенств (дефектов). Несовершенства внутри реальных кристаллов играют важную роль в процессе деформации. Реальные кристаллы, кроме атомов основ­ ного металла, содержат большое количество атомов примесей. Занимая определенные места в междуузлиях кристаллической решетки, атомы под действием темпе­ ратуры и напряжений способны перемещаться, т. е. дис­ лоцироваться.

Холодная пластическая деформация (сдвиговая) происходит путем смещения (скольжения) отдельных частей кристаллитов друг относительно друга по плоско­ стям и направлениям, наиболее густо заполненным ато­ мами. Вдоль этих плоскостей п направлений сопротив­ ление сдвигу, которым обладает кристаллическая ре­ шетка. минимально. Ориентировка их зависит в основном

г. п. у. металлов — по {000} и (2110) [99— 101].

При обработке деталей поверхностным наклепом раз­ витие процесса пластической деформации протекает не сразу, ей предшествует упругая деформация, распро­ страняющаяся со скоростью звука. Но и в первой фазе при упругой деформации возможны частичные переме­ щения зерен и межкристаллическая деформация. Под действием деформирующей силы происходит аккумули­ рование энергии деформации и совершается работа,, эквивалентная теплоте плавления данного материала [106]. Дальнейший процесс пластической деформации в основном протекает путем скольжения, т. е. перемеще­ ния отдельных частей кристаллов по определенным пло­ скостям. Начало процесса обусловлено наличием крити­ ческих сдвигающих напряжений.

По мере увеличения деформации скольжение рас­ пространяется и на менее благоприятные ориентирован­ ные системы. В кристаллите начинает действовать не-

47

зультат одновременного смещения одной части кристал­ лита относительно другой и перемещения в кристаллите особого рода дефектов, несовершенств, получивших на­ звание дислокаций [81, 125].

Характерно, что энергия искажений кристаллической решетки аккумулируется неравномерно, она сосредото­ чена в основном в тончайших слоях у плоскостей сдвига, охватывающих 2—3% общего числа атоіѵюв [145]. На­ ступает ориентация кристаллитов по кристаллографиче­ ским направлениям. Эта ориентировка получила назва­ ние текстуры.

Несмотря на широкое применение поверхностного упрочнения металлов холодным пластическим деформи­ рованием, природа наклепа до сих пор остается не со­ всем ясной [1. 28, 113, 165]. Механизм пластической де­ формации и сопровождающие ее структурные изменения рассмотрены в ряде монографий и обзоров [12, 34, 114]. Для объяснения физической природы наклепа и меха­ низма упрочнения выдвинут ряд гипотез, однако наи­ большее распространение получила теория дислокаций [4, 41, 124].

Некоторые авторы считают, что рациональные методы создания поверхностного наклепа и его действие на эксплуатационные свойства детали в основном связаны с изменением усталостной прочности, причиной повыше­ ния которой являются благоприятные изменения напря­ жений в поверхностных слоях. Остаточные внутренние напряжения сжатия максимальны на поверхности, они уменьшаются постепенно до полного равновесия с напря­

остаточных сжимающих напряжений тем, что эти напря­ жения создают асимметрию цикла, средним значением которого является напряжение сжатия. В этих случаях выносливость стали повышается, зарождение и развитие трещин усталости происходит медленнее. Кроме повыше­ ния предела усталости, происходит снижение, чувстви­ тельности поверхности к локализации остаточных напря­ жений, как и напряжений от внешних усилий, около над­ резов.

4 8

Развитие теории дислокаций облегчило объяснение природы пластической деформации металлов. Предпо­ лагалось ранее, что пластическая деформация кристал­ лов металла является результатом сдвига по плоскостям скольжения одной части кристалла по отношению к дру­ гой, что все атомы сдвигаемой части перемещаются од­ новременно в направлении сдвига и при этом не про­ исходит нарушения в правильности строения кристалли­ ческой решетки.

Исходя из дислокационной теории пластической де­ формации, малая величина скалывающих напряжений в реальных кристаллах объясняется тем, что процесс де­ формации таких кристаллов из-за несовершенства их ре­ шетки развивается не одновременно по всему кристаллу, а последовательно, в результате перемещения дислока­ ций. Согласно статической теории, в металле всегда име­ ется определенное количество дислокаций, движение ко­ торых начинается при сколь угодно малых напряже­ ниях [2].

Наклеп можно объяснить убылью числа дислокаций по мере дальнейшего развития процесса, если бы не было искажения решетки кристалла, не возрастала его энергия и не увеличивалась плотность дислокаций. Число дислокаций в литом металле или сплаве обычно лежит в пределах ІО4—ІО7 на 1 см2. В пластически деформиро­ ванном металле плотность значительно возрастает: для умеренно деформированного металла составляет ІО11, для сильно деформированного — ІО13. В некоторых случаях можно довести плотность до ІО19 на 1 см2. Плотность дислокаций после прекращения действия деформирую­ щей силы несколько снижается, однако имеет более вы­ сокие значения, чем в недеформированном металле.

Исследования в области физики металлов показыва­ ют, что в основе пластической деформации лежит меха­ низм движения дислокационных петель, генерированных источниками Франка — Рида.

Упрочнение стали при наклепе, согласно теории дис­ локаций, объясняется концентрацией дислокаций около линии сдвигов. Так как дислокации окружены полями упругих напряжений, то для последующей пластической деформации необходимо значительно большее напряже­ ние, чем в неупрочненном металле. Это связано с необ­ ходимостью преодолеть при продвижении дислокаций

сопротивление полей напряжений, существующих около других дислокаций, массовое развитие которых порожда­ ет иаклеп. При этом повышается энергетический уровень металла, способствующий увеличению диффузионного проникновения наклепа. Пропорционально степени пла­ стической деформации уменьшается плотность металла, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклепанном металле [125, 134, 178].

Вследствие повышения энергетического уровня в де­ формированном поверхностном слое металл находится в структурно-неустойчивом состоянии и в нем спонтанно (самопроизвольно) возникает явление отдыха. Это объ­ ясняется термодинамически неизбежным стремлением дислокаций взаимоуничтожаться пли принимать такую конфигурацию, которая соответствовала бы наименьше­ му энергетическому уровню, т. е. меньшему числу дисло­ каций.

Наклеп металла, как считает большинство авторов,— процесс полностью обратимый. Исходные свойства ме­

деформированного металла при нагреве, является пере­ распределение дислокаций с уменьшением энергии кри­ сталлической решетки, но без заметного уменьшения числа дислокаций, если степень пластической деформа­ ции не велика. Если же температура достигает темпера­ туры рекристаллизации, равной примерно 0,4 Тпл (Тпл — абсолютная температура плавления металла), возможно полное исчезновение наклепа. При этом явлению отдыха способствует и упругая деформация наклепанного ме­ талла. Наклеп в оптимальных пределах приводит к уп­ рочнению материала. Опыты подтвердили, что в боль­ шинстве случаев наклеп приводит к упрочнению поверх­ ностных слоев, но иногда при чрезмерных усилиях обкатки и большом числе проходов или недостаточной смазке наблюдается явление «перенаклепа». В этих случаях поверхностный слой разрыхляется, появляются трещины, наблюдается шелушение поверхности, отслаи­ вание металла. В поверхностном слое обрабатываемой детали появляются обособленные кристаллические зер­ на-кристаллиты. Разупрочнение происходит при исчер­ пании способности кристаллической решетки упроч­ няться [61].

50