Файл: Стандартизация и качество машин учеб. пособие.pdf

тивных путей резкого повышения удельной прочности, долговеч­ ности и ряда других показателей качества конструкционных мате­ риалов, особенно для таких областей техники, как атомная, кос­ мическая и авиационная.

Свойства композитного материала определяются главным об­ разом свойствами волокон, а основной функцией связующего яв­ ляется перераспределение напряжений между ними. Свойства неко­ торых упрочняющих волокон приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

,

Связующее композитного материала должно обладать достаточ­ ной пластичностью, смачиваемостью и адгезией к волокну, близ­ ким к волокну коэффициентом линейного расширения и рядом дру­ гих свойств.

Сейчас созданы образцы опытных композитных конструкцион­ ных материалов. В этих образцах волокна или усы заливают метал­ лическим сплавом — связующим и получают композитный материал высокой прочности.

Второй путь упрочнения сплавов — создание высокой плотно­ сти дефектов в кристаллической решетке — осуществляется различ­ ными технологическими приемами: легированием сплавов, пласти­ ческой деформацией, разновидностями механико-термической обра­ ботки и другими, некоторые из которых будут рассмотрены в сле­ дующем разделе.

Таким образом, вначале умозрительно введенное представление о дислокациях подтвердилось экспериментально и привело к важ­ ным для практики выводам. Кроме того, теория дислокаций ис­ пользуется для объяснения некоторых практически важных явле­ ний, например, усталости металлов.

9 8

Особенности строения и свойства поверхностного слоя деталей машин. В условиях эксплуатации внешним воздействиям в первую очередь подвергается поверхность деталей машин.

Износ трущихся поверхностей, зарождение трещин усталости, коррозионное и эрозионное разрушение, разрушение в результате кавитации — это процессы, протекающие на поверхности деталей и в некотором прилегающем к поверхности слое. Естественно, что придание поверхностям деталей специальных свойств способствует существенному повышению показателей качества машин в целом и в первую очередь показателей надежности.

Наиболее существенным для практических целей является уста­ новление зависимости между параметрами конкретного технологи­ ческого процесса обработки поверхности, показателями качества поверхностного слоя и поведением деталей машин в эксплуатации.

Рассмотрим некоторые характеристики поверхностного слоя, су­ щественно влияющие на надежность деталей машин, а затем мето­ ды поверхностного упрочнения и защиты поверхности деталей от разрушающего действия эксплуатационных факторов.

Показатели качества поверхностного слоя 1 обычно объединяют в две группы:

геометрические — шероховатость, волнистость, микрогеометрия, местные отступления от заданной формы;

физико-химические — химический состав, микроструктура, на­ клеп, остаточные напряжения, микротвердость, электродный потен­ циал, электрические, магнитные, оптические и другие свойства.

Геометрические показатели качества поверхностного слоя, как известно, существенно влияют на процесс приработки деталей, уста­ лостную прочность, коррозионную стойкость, характер обтекания деталей газами и жидкостями. Геометрические показатели качества регламентируются стандартами (ГОСТ 2789—59, ГОСТ 10356—63)

итехническими условиями, оговариваются в чертежах (ГОСТ

2308—68, ГОСТ 2309—68).

Впоследние годы в Ленинградском институте точной механики

иоптики разработано вибрационное обкатывание, состоящее в том, что за счет сложного относительного перемещения инструмента (шарик, алмазный наконечник) и обрабатываемой детали на по­ верхности последней выдавливаются канавки заданного рельефа! Данный метод в отличие от широко распространенных методов об­ работки поверхностей имеет две особенности: во-первых, микро­

рельеф создается не процессом резания, а за счет вдавливания, что существенно влияет на форму неровностей; во-вторых,, рисунок микрорельефа регламентируется, т. е. процесс формирования гео­ метрических характеристик поверхности становится управляемым по двум показателям.

При вибрационном обкатывании на поверхности деталей создается регулярная, заданной формы система канавок, позволяю­

1 Под термином «поверхностный слой» понимается сама поверхность и ее не­ который поверхностный слой, отличающийся от материала сердцевины детали.

щая оптимизировать ряд весьма важных параметров, например, площадь контакта соприкасающихся деталей, маслоемкость тру­ щихся поверхностей.

Для практического использования было предложено несколько видов микрорельефа: с некасающимися (рис. 33, а), касающимися (рис. 33, б) и пересекающимися (рис. 33, в) канавками. Для по­ вышения износостойкости, например гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, рекомендуется первый вид рельефа, для обеспечения плавности хода направляющих — второй, а для созда­ ния большей герметичности резино-металлических уплотнений — третий.

6

Рис. 33. Различные виды микрорельефа, получаемого методом вибрацион­ ного обкатывания

Вибрационному обкатыванию обычно подвергаются поверхно­ сти, предварительно обработанные точением. Форма и размеры об­ рабатываемых изделий, так же как и их твердость, практически не ограничены.

Вибрационное обкатывание осуществляется на токарных, фре­

100

зерных или других металлообрабатывающих станках, оснащенных вибрационными головками.

Применение вибрационного обкатывания позволяет резко сокра­ тить время приработки трущихся пар, существенно повысить гер­ метичность и износостойкость уплотнений, дает возможность повы­ сить показатели надежности машин.

Теперь рассмотрим физико-химические свойства поверхностного слоя, которые оказывают решающее влияние на показатели надеж­

ности деталей машин.

На физико-химические свойства поверхностного слоя еще не разработаны стандарты. Они, как правило, не находят отражения в чертежах и крайне редко определяются в условиях производства.

Не все физико-химические свойства поверхностного слоя оказы­ вают равноценное влияние на эксплуатационные характеристики деталей машин, определяющими являются его химический состав и строение (структура).

Обработка резанием, шлифование, полировка и ряд других тех­ нологических операций деформируют поверхностный слой, загряз­ няют его примесями (частицы абразива, кислород) и другими ино­ родными включениями.

1

Рис. 34. Схема строения поверх­ ностного слоя после механиче­ ской обработки:

1 — адсорбированный слой; 2 — слой с текстурой; 3 — пластически дефор­ мированный слой; 4 — исходный ме­ талл

Под действием нагрузок и температур в поверхностном слое об­ рабатываемых деталей образуются пластически деформированные кристаллы, создается наклеп и возникают остаточные напряжения. Схематически строение поверхностного слоя детали после механи­ ческой обработки представлено на рис. 34.

Наклепанный слой, состоящий из слоя с текстурой, в котором зерна имеют преимущественную ориентацию, и пластически дефор­ мированного слоя, имеет уменьшенную по сравнению с сердцевиной

101

плотность; в нем существенно увеличено количество дислокаций и других дефектов строения кристаллической решетки.

Этот слой имеет увеличенную по сравнению с сердцевиной дета­ ли твердость. Измерением микротвердости поверхностного слоя, которое обычно проводится на косых шлифах прибором ПМТ-3 (ПМТ-2), можно установить глубину наклепанного слоя и опреде­ лить степень наклепа, которая оценивается отношением микротвер­ дости поверхности #цгаах к исходной микротвердости материала

Н I4nin •

Глубина наклепанного слоя после механической обработки до­ стигает нескольких десятых долей миллиметра. Например, при чер­ новом точении глубина наклепанного слоя колеблется от 0,2 до

напряжения, возникающие при изменении удельных объемов сосед­ них зон металла поверхностного слоя в связи с различной степенью их пластической деформации. Остаточные напряжения также воз­ никают при температурных воздействиях, структурных и химиче­ ских превращениях в поверхностном слое.

Различают три рода остаточных напряжений:

первого рода — уравновешиваются в макрообъемах, т. е. охва­ тывают весь объем изделия или значительную его часть;

второго рода (микронапряжения) — уравновешиваются в объ­ еме одного или нескольких зерен;

третьего рода (ультрамикроскопические напряжения)— урав­ новешиваются в объеме нескольких кристаллических ячеек одного зерна.

Остаточные напряжения третьего рода измеряются методами рентгеноструктурного анализа.

Остаточные поверхностные напряжения первого рода можно оп­ ределять и механическими методами на образцах по их деформа­ ции (прогибу), возникающей при постепенном послойном удалении материала с обратной, по отношению к наклепанной, стороны об­ разца. Существуют методики, позволяющие одновременно записы­ вать величину остаточных напряжений первого рода и степень де­ формации в зависимости от расстояния от поверхности. Однако все предложенные методы определения остаточных напряжений весьма трудоемки, требуют специальной аппаратуры и в заводских лабо­ раториях применяются редко.

Величина и направление (растяжение, сжатие) остаточных на­ пряжений, возникающих в поверхностном слое, зависят от многих причин.

При механической обработке поверхность детали подвергается действию не только высокого удельного давления, но и нагреву. В зависимости от температуры нагрева и свойств обрабатываемого

102