2 ОСОБЛИВОСТІ БУДОВИ ПОВЕРХНІ ТА ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ2.1 Геометрія поверхні
Останнім часом усе більше значення надається поверхні й поверхневому шару твердих тіл. Цілий ряд досліджень виявив великий вплив геометричних і фізико-хімічних особливостей зовнішніх шарів на багато важливих показників міцності й довговічності. Минув той час, коли вважали, що обробка поверхні виробу потрібна тільки для надання йому необхідних розмірів і форми. Виявилося, що характер обробки дуже сильно позначається на показниках міцності, на зносостійкості, силі тертя, на опорі корозії та ін.
Чисто геометричне уявлення про поверхню фізичного тіла надто вузьке і недостатнє, тому що поверхневі шари металевих виробів значно відрізняються від основної маси металу своєю структурою, хімічним складом, напруженим станом.
Ідеально правильна геометрія поверхні існує тільки в нашій уяві. Насправді поверхня фізичного тіла, не виключаючи і природних кристалів, недосконала; твердження про ступінь недосконалості залежить від масштабу розгляду. Поверхня найгладкішого за нашими уявленнями тіла – вимірювальної плитки – має западини і підвищення порядку не менше декількох сотень атомних рядів.
Можна говорити про порушення геометричної правильності поверхні макрогеометричного порядку, мікроскопічного порядку і субмікроскопічного порядку.
Автори перших капітальних монографій з якості поверхні проф. Шмальц і Шлезінгер пропонують відносити до мікрогеометрії структури ділянки поверхні розміром в 1 мм і менше – до розміру 10-3 мм (1 мкм). До субмікроскопічної структури належать вимірювання від 10-3 мм (1 мкм) до 10-6 мм (1 нм, або 10 ?). Що стосується розмірів порядку 10-6 мм, то тут уже не можна говорити про суцільність поверхні, тому що величини порядку 10-7 мм (1 ?) відповідають інтервалам між атомами.
Радянські дослідники П. Е. Дьяченко та А. І. Ісаєв пропонують іншу систему класифікації (рис. 2.1):
а) макроскопічні відхилення – одиничні випадкові відхилення з малою висотою і великим кроком
(L : H ~1000);
Рисунок 2.1 – Схема будови поверхні, що відображає макроскопічні відхилення і хвилястістьб) хвилястість – відхилення (наприклад, від нерівномірності різання, від вібрацій системи і т. д.), що одноманітно повторюються, відношення l : h від 50 до 1000; в) шорсткість, що належить до мікрогеометрії (l : h до 50).
Природні поверхні. За теорією Франка ріст кристалів відбувається спіралеподібно; отже, для поверхні кристала характерна ступінчаста структура. Висота сходинок змінюється в різних речовинах у дуже широких межах: від одного атомного шару до сотень.
Крім таких нерівностей, природній поверхні кристалів і аморфних тіл властива, як передбачає ряд дослідників, природна тріщинуватість – наявність сітки найдрібніших, що не віднаходять мікроскопами, тріщин, що йдуть у товщу тіла.
Походження цих тріщин може бути двояке:
1) вихід на поверхню субмікроскопічних порожнин і пор, що пронизують весь об'єм тіла;
2) тріщини чисто поверхневого характеру, що виникають у результаті особливостей взаємодії поверхневого шару атомів.
Передбачають такі причини виникнення тріщин. Природна «упаковка» атомів в об'ємі, як показують теоретичні розрахунки, приблизно на 5% менш щільна, ніж природна упаковка в зовнішньому шарі. При утворенні «свіжої» поверхні у твердому тілі атоми, що раніше знаходилися всередині при менш щільній упаковці, переходитимуть до щільнішого розміщення, характерного для поверхонь; при цьому повинні виникнути в поверхневому шарі значні напруження, а також і тріщини. Таким чином, поверхня повинна бути покрита сіткою найдрібніших тріщин з устями біля поверхні.
Дія міжатомних сил за наявності тріщини шириною більше величини міжатомної відстані сприяє подальшому збільшенню дефекту. У цих тріщин виникає концентрація напружень значно різкіша, ніж у нерівностей поверхні; тут зароджуються скупчення дефектів, що можуть охопити макроскопічні об'єми і призвести до руйнування. Унаслідок тріщинуватості, роль поверхневого шару тіла на показники міцності має велике значення. Широку популярність має класичний досвід академіка А. Ф. Іоффе, який показав на кристалах кам'яної солі вплив тріщинуватості поверхневого шару на міцність: тоді як у звичних зразках солі межа міцності на розтягування становить на повітрі 5 МПа, такі самі зразки, перевірені у воді, після розчинення зовнішнього тріщинуватого шару показали межу міцності 1700 МПа, тобто в 340 разів більше.
Свої досліди академік Іоффе проводив під водою, щоб дослідити свіжу поверхню без дефектів у момент її утворення, тому що нові тріщини утворюються, як правило, легко. Мабуть, це властиво цілому ряду речовин. Так, наприклад, В. Л. Індебом зазначає, що тріщини на поверхні скла, видалені розчиненням або травленням, одразу виникали знову від простого дотику руки.
Тріщини мають клиноподібну, лезоподібну форму з устям на поверхні й вершиною, що сходить нанівець, у товщині поверхневого шару. На рис. 2.2 показані можливі види таких тріщин (тут а – дно щілини; б – межа речовини, що проникла у глибину щілини). Вони настільки малі, що тільки іноді виявляються при збільшеннях порядку 12 –15 тис. Біля вершини тріщини стінки настільки зближуються, що при виникненні в поверхневому шарі напружень стиснення або розтягування (за відсутності забруднень) відбувається часткове заліковування – з двох боків атоми настільки зближуються, що зв'язки між ними відновлюються.Термічна і механічна обробка за наявності природної тріщинуватості може породити цілу сітку найдрібніших поверхневих надривів більшого порядку; межі розділу окремих кристалітів і окремих блоків мозаїчної структури можуть також розглядатися як тріщини, що йдуть у глибинні шари. По цих площинах розділу особливо інтенсивно проходить дифузія із зовнішнього середовища. За відомих умов (наприклад, при високому тиску) дифузія по гранях розділу між кристалітами проходить настільки інтенсивно, що тут утворюються мікроскопічні канали, доступні проникненню рідин.
Рисунок 2.2 – Можливі види мікротріщин у приповерхневому шарі
Оброблені поверхні. Оброблені поверхні порівнянно з природними мають нерівності надзвичайно великі за величиною. Форма нерівностей повторює контур оброблювального інструменту тільки у загальних рисах. Наприклад, якщо розглянути контур канавки від проходження токарного різця, то видно, що її правильний увігнутий контур спотворений виступами, задирами і т. д. Це пояснюється тим, що оброблювальний інструмент повинен зруйнувати на своєму шляху різноманітно розміщені кристали металу; для деяких із них завдяки орієнтації створюються умови зрізу, для інших – умови руйнування відривів, з утворенням найдрібніших тріщин.
Таким чином, при достатньому збільшенні можна спостерігати після обробки металу неправильну його поверхню, геометрія якої тісно пов'язана з фізико-механічними процесами руйнування металу в зоні обробки.
Ступінь шорсткості обробленої поверхні металів залежить від умов обробки: режиму різання, геометрії матеріалу і стану різального інструменту, матеріалу виробу, охолоджувального середовища, методу обробки.
Вибором умов обробки можна одержати виріб, поверхня якого відповідатиме заданим вимогам. На великих заводах, як правило, розроблені типові технологічні процеси, що забезпечують шорсткість, яка вимагається для конкретних деталей.
Крім дрібних шорсткостей, що спричинюються механічною дією різального інструменту, на поверхні виробів часто утворюється хвилястість, що походить від пружних коливань ланок верстатної системи.
Мікрогеометрія поверхні обробки чинить істотний вплив на міцність деталей машин, що особливо піддаються повторно змінним навантаженням.
Проте вплив мікрогеометрії поверхні на зміцнювальні характеристики повинні розглядатися не ізольовано, а у зв'язку з фізичним станом поверхневого шару, тобто ступенем і глибиною зміцнення, мікроструктурою, залишковими напруженнями.
Вивчаючи поверхневий шар, потрібно розрізняти його зовнішню поверхню, в якій відбувається контакт із зовнішнім середовищем, і внутрішню товщину шару. Остання становить основний матеріал деталі, що піддався сильним змінам; на зовнішній же поверхні виникають такі своєрідні хімічні, фізичні й енергетичні умови, які різко виділяють цю область у загальній товщі деталі. Для спрощення термінології надалі говоритимемо про «поверхню» і про «товщину» граничного шару.
З погляду фізики поверхня твердого тіла, що розглядається поза зв'язком з яким-небудь середовищем, має такі особливості в порівнянні із внутрішньою будовою того самого тіла.
В ідеально правильній атомній структурі всередині тіла кожен атом знаходиться в стані рухомої стійкої рівноваги, оскільки для нього за всіма напрямами інтенсивність силового поля однакова. Інакше із частинками у поверхні; вони мають тільки односторонні зв'язки – всередині металу, тому стан їх нерівноважний, нестійкий; атоми тут більш активні. У рідинах частинки мають порівняно велику рухливість. У них поверхневий шар товщиною в 1–2 молекули знаходиться у постійному русі. У твердих тілах зміщень, пов'язаних із коливаннями, набагато менше, що і забезпечує макроскопічну незмінність тіла. Внаслідок цього у твердому тілі атоми залишаються на поверхні там, де були у момент її утворення; окремі групи атомів або молекул, одержавши дуже різні взаємні положення у момент твердіння, мають неоднакові сили взаємодії, не рівнопотенційні, мають різну активність; у твердому тілі зберігаються западини і підвищення; спостерігаються тільки надто повільна дифузія і деякі інші явища переміщення атомів.
Вважають, що у твердих тілах поверхнева енергія граничного шару створюється приблизно у двох шарах атома, тобто на товщині порядку 10-6–10-7 мм.
