Поверхность. Поверхностный слой. Способы упрочнения поверхностного слоя. Общие понятия наноинженерии

Министерство образования и науки РФ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Кузбасский Государственный Технический Университет имени Т.Ф.Горбачева»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему: «Поверхность. Поверхностный слой. Способы упрочнения поверхностного слоя. Общие понятия наноинженерии»

 

 

 

 

 

 

                                                                                            Выполнил:

                                                                                            магистрант гр. КТм-121

                                                                                            Мосунова С. А.

                                                                                            Проверил:

                                                                                            Трухманов Д. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово 2014

 

Содержание

Стр.

Введение	3
1. Поверхностный слой деталей  машин	4
1.1. Общие представления о поверхностном  слое	4
1.2. Влияние технологической наследственности на качество поверхностного слоя	12
1.3. Инженерия поверхности деталей  на этапах жизненного цикла	14
2. Упрочнение поверхностного слоя  деталей машин	20
2.1. Назначение и классификация методов упрочнения	20
2.2. Основные методы упрочнения  деталей машин	22
3. Общие понятия наноинженерии	34
Заключение	44
Список используемой литературы	45

 

 

Введение

Одним из основных показателей качества машин является их надежность. Как правило, все разрушения деталей (износные, коррозионные, прочностные, контактные, усталостные) начинаются с поверхности.

Изучение качества поверхностного слоя за свою 100-летнюю историю осуществлялось от неопределенного учета неровностей до комплексной оценки его состояния, учитывающей как все виды неровностей (макроотклонение, волнистость, шероховатость, субшероховатость), так и физико-химические свойства (структуру, фазовый и химический составы, наклеп, остаточные напряжения, экзоэлектронную эмиссию и др.). Качество поверхностного слоя вызывает интерес ученых различных направлений: механиков, физиков, химиков, метрологов и технологов.

В настоящее время в России вопросам качества поверхностного слоя придают особое значение в различных научных школах, в том числе и в КузГТУ.

Экономическая целесообразность комплексного обеспечения качества деталей на всех стадиях их жизненного цикла обусловливает необходимость аналогичного подхода и к их рабочим поверхностям. Рассмотрение качества поверхностного слоя деталей машин на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, изготовление, контроль, испытание, диагностика, эксплуатация, ремонт, восстановление и утилизация), а также на микро- и наноуровне положило начало учению об инженерии поверхности, которое занимает в наше время одно из ведущих мест в технике. Инженерии поверхности посвящаются многие международные научно-технические конференции, монографии и статьи.

 

1. Поверхностный слой деталей машин

 

1.1. Общие  представления о поверхностном  слое

 

Поверхностный слой (ПС) - наружный слой детали с измененными структурой, фазовым и химическим составом по сравнению с основным металлом из которого изготовлена деталь, при чем верхняя поверхность слоя граничит с окружающей средой или с сопряженной деталью [1].

В поверхностном слое (рис.1.1)  можно выделить следующие основные зоны [2]:

• зону 1 адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ (воды, промывочной или смазывающе-охлаждающей жидкости и др. толщиной до 100 нм;

• зону 2 продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (чаще всего оксидов) толщиной до 1 мкм;

• зону 3 граничную толщиной в несколько межатомных расстояний; металл в этой зоне имеет иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру;

• зону 4 измененных структуры, фаз и химического состава с толщиной около 10...150 мкм, иногда и большей;

• зону 5 основного металла.

Толщина и состояние указанных зон ПС могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки и условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического или механического анализа.

Рис.1.1 Схема поверхностного слоя детали

 

Многообразие состояний ПС и методов его оценки не позволяет выделить единственный показатель, определяющий это состояние или, как принято говорить, качество ПС. Поэтому в научной и инженерной практике качество ПС оценивается набором единичных или комплексных параметров, с той или иной стороны оценивающих состояние ПС, выбор которых зависит от метода оценки. Укрупненно эти параметры характеризуют: геометрические параметры неровности поверхности; физическое состояние; химический состав; механическое состояние.

Геометрические параметры неровности поверхности оцениваются параметрами шероховатости, регулярных микрорельефов, волнистости.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, выделенными в пределах базовой длины. Шероховатость поверхности характеризуется рядом стандартизованных (по ГОСТ 2789-73 ,ГОСТ 25142-82) и нестандартизованных параметров, которые имеют существенное влияние на долговечность деталей.

Волнистость поверхности – это совокупность неровностей, имеющих шаг, больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости. Так как в России волнистость не стандартизована, то для ее оценки используют параметры, аналогичные параметрам шероховатости, или параметры, установленные отраслевыми нормалями или зарубежными стандартами.

Регулярные микрорельефы– это неровности, которые в отличие от шероховатости одинаковы по форме, размерам и взаиморасположению. В соответствии с ГОСТ 24773-81 поверхности бывают с полностью или частичным регулярным микрорельефом.

В некоторых источниках [3] также выделяются такие геометрические параметры как:

Макроотклонение поверхности – это неровность высотой 10-2-103 мкм на всей ее длине или ширине.

Субшероховатость – это субмикронеровности высотой примерно 10-3-10-2 мкм, накладываемые на шероховатость поверхности.

Физическое состояние поверхностного слоя деталей в технологии механической обработки наиболее часто характеризуется параметрами структуры и фазового состава [1].

Структура – это характеристика металла, зависящая от методов изучения его строения. В связи с этим выделяют следующие типы структур: кристаллическая структура, субструктура, микроструктура, макроструктура.

Металлическое твердое тело представляет собой совокупность множества произвольно расположенных и взаимосвязанных кристаллов. Атомы, определенным образом расположенные в кристалле, образуют его кристаллическую структуру (решетку). В реальном металле кристаллическая структура имеет множество дефектов, которые в значительной степени определяют его свойства. Совокупность дефектов решетки и пространственное их распределение в кристалле называется субструктурой.

Микроструктура – это структура, определяемая с помощью металлографических микроскопов. С помощью этого анализа можно определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава.

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

Фазовый состав характеризуют числом и концентрацией фаз, распределением фаз по поверхностному слою, типом кристаллической структуры фаз, объемом сплава и др.

Исследования физического состояния осуществляются экспериментальными методами физики твердого тела.

Химический состав характеризуется элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, объеме 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. Методы исследования физического и химического состояния поверхностного слоя позволяют дать объяснения явлениям, происходящим в поверхностном слое при обработке, и установить их связь со свойствами металла. Однако параметры физико-химического анализа довольно сложно определяются, связать их с технологией можно только на эмпирическом уровне.

Для решения технологических задач в большинстве случаев достаточно знания о средних показателях состояния довольно большой группы атомов материала. Это позволяет перейти от микроскопического уровня анализа материала к макроуровню. В этом случае металл рассматривается не как дискретная, а как сплошная среда.

Параметры механического состояния металла включают параметры:

– сопротивления металла деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.;

– пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и др., устанавливаемые специальными испытаниями

Важной характеристикой механического состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения.

Остаточные напряжения – это упругие напряжения, которые остались в детали после обработки.

В зависимости от объемов тела, в которых рассчитывают остаточные напряжения (ОН), они условно подразделяются на: напряжения первого рода, уравновешенные в макрообъемах тела; напряжения второго рода, уравновешенные в пределах размера зерен; напряжения третьего рода, уравновешенные в пределах нескольких межатомных расстояний.

Источником возникновения ОН являются микронапряжения, возникшие в кристаллической структуре в результате пластического течения металла, нагрева и фазовых превращений. В зависимости от характера и интенсивности физико-механических процессов, происходящих при обработке, ОН могут иметь различный знак. В связи с этим различают сжимающие (–) и растягивающие (+) ОН.

Качество поверхностного слоя оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.

Формирование поверхностного слоя  следует рассматривать как единый процесс, происходящий в зоне контакта обработанной поверхности с режущим или деформирующим инструментом [2]. Состояние поверхностного слоя обработанной детали определяется особенностями этого процесса и влияющими на него факторами, к которым необходимо отнести следующие:

• физико-химические свойства обрабатываемого и инструментального материала;

• геометрические параметры режущей или деформирующей части инструмента и его конструкцию;

• жесткость и виброустойчивость технологической системы;

• кинематику процесса обработки, определяющую траекторию движения инструмента относительно заготовки;

• технологические режимы обработки;

• смазывающие и охлаждающие технологические среды (СОТС),

способы их подачи в зону обработки;

• внешнее воздействие (предварительный или сопутствующий подогрев, глубокое охлаждение, вакуум, электрохимическое, электрофизическое, ультразвуковое воздействие и др.).

Взаимосвязь поверхностного слоя с физико-химическими и эксплуатационными свойствами детали показана на рис.1.2.

Рис.1.2. Взаимосвязь поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей.

 

Свойства поверхностного слоя формируются в результате упругопластических деформаций, нагрева (охлаждения), адгезионных и диффузионных процессов,  химического взаимодействия с окружающей средой. В процессе обработки поверхностный слой подвергается неоднородной по глубине пластической деформации, которая может сопровождаться структурными изменениями. Происходит дробление зерен на фрагменты и блоки с их угловой разориентацией. У поверхности они измельчаются и вытягиваются в направлении усиления деформирования. В результате пластической деформации металл поверхностного слоя упрочняется [4].

Физическая сущность формирования поверхностного слоя с неоднородными свойствами обусловлена специфическими особенностями развития пластических деформаций и температур в зоне резания, их вероятностным характером из-за существенного влияния случайных факторов.