ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ

Качество поверхности деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Глубина поверхностного слоя и качество поверхности зависят от основного материа­ла, вида обработки, основных параметров инструмента, режима обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.

Поверхностный слой неоднороден по строению (рис. 2.5). Гра­ничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Слой 2 — деформированный, сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристал­лов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины. Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содержится струк­турно-свободный цементит, образовавшийся под действием высо­ких температур. Слой 4 — металл с исходной структурой. При бо­лее тонкой обработке (абразивными брусками, лентами и т. д.)

Рис. 2.5. Структура поверхностного слоя шлифованной детали из углеродистой стали.

слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются соответственно меньшим давлению и температуре поверхности при обработке.

У полированного металла самый верхний слой состоит из мельчайших кристаллических образований, многие из которых не имеют законченной решетки и представляют собой как бы обломки правильных кристаллических образований. Такое строение позволило считать этот слой аморфным. Под ним находится слой очень мелких кристаллов, ориентированных в направлении полирования. Далее следует переходная к исходной структуре прослойка слабо наклепанных кристаллов без выраженной текстуры.

Если исключить адсорбированную пленку, то поверхностный слой обработанной инструментом поверхности состоит из наружного очень тонкого слоя, более или менее сильно разрушенных кристаллических зерен и наклепанного слоя четкой кристаллической структуры.

Упрочнение поверхностного слоя при обработке можно оценить по изменению микротвердости по сравнению с исходной. Микротвердость падает по мере удаления от поверхности детали, причем более резко по толщине слоя с раздробленной структурой. Прочные и хрупкие металлы менее склонны к упрочне­нию, чем малопрочные и вязкие. К тому же температура при ре­зании высокопрочных металлов значительно выше, и сильнее сказывается фактор разупрочнения. Наклеп металла под выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами. Поверхностный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет толщину при точении 0,25—2,0 мм, при шлифовании 12— 75 мкм, при тонком шлифовании 2—25 мкм, при полировании 0,2 мкм.

Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут достигать глубины 5 мм.

Поверхностный слой может находиться в напряженном состоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке могут достигать 560—1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими. Шлифовочные трещины возникают под действием высоких внутренних напряжений растяжения. Остаточные напряжения растяжения снижают предел выносливости детали.

Микроскопическая неоднородность физико-механических свойств характерна для всякого твердого тела. В металлах она обусловлена анизотропией кристаллов. Если стравить обработанный поверхностный слой, то образовавшаяся новая поверхность будет неоднородна по свойствам, поскольку кристаллические зерна различно ориентированы к поверхности. Обработанная поверхность в связи с особенностями ее образования отличается сравнительно большей неоднородностью как по химической активности, так и по физико-механическим свойствам. Кроме того, она имеет ультрамикроскопические дефекты в виде трещин и пустот. Хотя подобные дефекты структуры возникают в процессе образования всей массы металла, но количество их в поверхностном слое возрастает в результате механических и тепловых воздействий при обработке.

Дефекты структуры могут иметь и атомный характер. Атомы кристаллической решетки металла непрерывно совершают беспорядочные колебания около положения равновесия с тем большим размахом, чем выше температура; размах некоторых атомов становится таким значительным, что они покидают свои места в решетке, нарушая тем самым кристаллический порядок. При любой температуре всегда имеется некоторое количество атомов, покинувших свои устойчивые положения в решетке, оставив в ней пустые места и ослабив этим прочность твердого тела. Образование дефектов в структуре металла может быть вызвано также посторонними примесями.

Система дефектов—слабых мест поверхности детали—является основой, на которой, начиная с самых малых деформаций, развиваются микротрещины. Вследствие наличия дефектов на поверхности естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах, т. е. про­цесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере изнашивания поверхности слабые места будут возникать вновь.