загрузка...
 
2.2 Дія зовнішнього середовища на поверхневий шар
Повернутись до змісту

2.2 Дія зовнішнього середовища на поверхневий шар

Говорячи про властивості зовнішнього поверхневого шару, не можна розглядати тверде тіло поза реальними умовами його існування. Поверхня твердого тіла неминуче адсорбує елементи навколишнього середовища. Це викликано підвищеною активністю поверхні. Як правило, вона буває покрита шарами адсорбованих газів, пари води і жирів. При виникненні «свіжої» чистої поверхні (наприклад, при зламі) вже короткочасне зіткнення із звичною атмосферою (година і навіть менше) призводить до утворення на поверхні забруднень і жирної плівки, що часто осідає прямо на повітрі. Подібне явище спостерігається взагалі у твердих тіл. Наприклад, запотівання скла у вологому приміщенні – не що інше, як осад найдрібніших часточок води на жирній плівці, що покриває скло; на абсолютно чистому склі конденсація створила б невидимий шар води. Молекули рідини, що випадає на поверхні тіла, мають велику енергію, тому рідкий шар дуже рухливий, швидко поширюється по поверхні. У нормальних умовах технічні тіла покриті шаром жирів до декількох сотень мікронів. Плівка водяної пари становить 50 – 100 шарів молекул.

Жирові плівки міцно пов'язані з поверхнею металу і не видаляються звичайними механічними і хімічними засобами. Про величину зчеплення шару жирів із металом можна робити висновок з того, що саме за наявності тонкої плівки жирів зібрані разом вимірювальні плитки не розпадаються від власної ваги.

Товщина найтоншого шару адсорбованих жирів дорівнює товщині  однієї  молекули жирної кислоти – або 0,002 – 0,004 мк (20-40 ?). Достатньо 1 см3 мастила, щоб покрити 500 м2 металу шаром молекул щільного укладання. Товщина адсорбованої водяної пари, згідно з рядом досліджень, становить 50 –100 молекулярних шарів.

Поверхні твердих тіл  більшою мірою адсорбують також гази. Ця адсорбція може бути двох видів:

а) конденсація молекул; цей вид адсорбції легко усувається нагріванням,   розрідженням;

б) хімічна сорбція,  що дає дуже міцні зв'язки; товщина шару газів – порядку 10-7 – 10-8 см.  Молекули цього шару міцно зв'язані з поверхнею металів.

Адсорбовані шари змащування, особливо поверхнево-активного, чинять значний вплив на процес пластичної деформації, на диспергування поверхневих шарів і міцність металів.           

У неблагородних металах, крім шару адсорбованих газів, утворюється ще плівка окиснення, часто завтовшки всього 10 – 20 шарів молекул.

Хіміко-фізична взаємодія кристалічного тіла з навколишнім середовищем на окремих ділянках поверхні дуже нерівномірна. Пояснюється це цілим рядом причин, з яких найважливіші такі:

а) різні елементи поверхні кристала (ребра, западини, площини) відрізняються за своєю адсорбційною активністю;

б) поверхня полікристалічних тіл утворена безліччю зерен,  що виходять назовні різними  кристалографічними площинами, мають неоднакові фізико-хімічні властивості;

в) сам склад зерен неоднаковий (різний фазовий стан);

г) значно позначаються на мірі фізико-хімічної активності окремих поверхневих кристалів величина  їх залишкових напружень (2-го роду), ступінь пластичної деформації і т.  д.; особливо важливі ці обставини для поверхонь, підданих механічній обробці;

д) велику роль відіграють субмікроскопічні тріщини на поверхні, описані вище.

Академіком П. А. Ребіндером був відкритий і вивчений механізм розклинювальної дії адсорбованих плівок рідин у поверхневих тріщинах. Молекули деяких адсорбованих на поверхні речовин мають високу активність; вони дуже рухливі й прагнуть розтектися щонайтоншим шаром – подібно нафті на поверхні води. Поширюючись по поверхні, ці молекули проникають у мікротріщини. У глибині, там, де через недостатню ширину щілини молекули не можуть проникнути далі, вони чинять сильну розпираючу дію (рис. 2.3), яка рівноцінна дії докладених до тіла додаткових розтягувальних зусиль.

 

Рисунок 2.3 – Ефект розклинювальної дії адсорбованих плівок

Чим вужча щілина, тим сильніша розклинювальна дія; помітний  ефект  виходить  при ширині не більше 0,1 мкм (1•10-3 мм). При ширині, що дорівнює 1•10-3 мм, тиск становить близько 0,15 МПа, а при ширині близько 1•10-5 мм (що відповідає мономолекулярному шару на обох поверхнях щілини) він зростає до 150 МПа.

Завдяки такій додатковій дії легше виникають пачки ковзання, характерні для пластичних деформацій; разом з тим помітно знижується номінальна напруга, що відповідає виникненню текучості (наприклад, для   олова – майже вдвічі).

Безперечний вплив ефекту П. А. Ребіндера – розклинювальної дії рідини в найдрібніших тріщинах поверхні – ілюструватимуть такі дані: плівка води на поверхні розтягнутого сталевого дроту знижує міцність останнього на 14%; платинові нитки після змочування водою подовжуються без зовнішнього навантаження.

За даними дослідів Бобильова, мокрі зразки латуні, знаходячись в аміачній атмосфері, розтріскуються у декілька  разів швидше, ніж у тих самих умовах сухі. Скло, поміщене у вакуум і позбавлене звичайної плівки адсорбованих газів з повітря, має межу міцності вдвічі вищу, ніж на повітрі.

Як доводять досліди академіка П. А. Ребіндера, адсорбовані речовини проникають по мікрощілинах, що йдуть уздовж площин ковзання в окремих зернах, створюючи справжнє внутрішнє змащування, що полегшує деформацію; ця властивість раціонально використовується в цей час при різанні металів.

При змінних навантаженнях чергуються розкриття і стулювання щілин, причому адсорбовані шари видавлюються, але все таки не повністю; залишки адсорбованої речовини заважають повному стулюванню мікротріщин. Послідовні розмикання і стулювання призводять до росту тріщин і до розпушування поверхневого шару.

Дослідження Г. В. Карпенка показали, що за наявності поверхнево-активних середовищ межа втоми металу знижується до 40%; це явище він назвав адсорбційною втомою. Ним запропонований новий механізм корозійної втоми, який передбачає два процеси:

а) первинний – полягає в адсорбційному полегшенні утворень мікротріщин під впливом циклічного навантаження;

б) вторинний – власне корозійний процес (електрохімічна корозія) усередині мікротріщин, що вже утворилися, який сприяє їх подальшому  росту. Процес названий ним адсорбційно-електрохімічним.

Погляди на істотність питання про дію поверхнево-активних речовин останніми роками зазнали значної еволюції, відкриті нові сторони цього цікавого явища. Безсумнівно, що ще не весь механізм його пояснений і розкритий, і потрібне подальше поглиблене вивчення.

Роль сторонніх плівок, що покривають поверхню, особливо видно під час вивчення своєрідних властивостей абсолютно чистих поверхонь. Останні виходять або як свіжі, тільки-но виниклі при руйнуванні поверхні (наприклад, розколювання кристала, свіжий злам, механічна обробка), або шляхом спеціального очищення звичайних поверхонь (наприклад, прожарювання під вакуумом або в середовищі інертних газів). Такі чисті поверхні мають властивість з'єднуватися при достатньо тісному зіткненні. Можливі два види взаємного з'єднання: злипання (холодне зварювання) і схоплювання.

Характерною особливістю злипання є те, що воно відбувається при одному тільки контакті двох чистих поверхонь при самому незначному тиску, отже, за відсутності деформації. Атоми двох поверхонь зближуються настільки, що починають взаємодіяти, тобто об'єднуватися в одні ґратки. Між монокристалами злипання можливе тоді, коли вони стикаються однойменними кристалографічними площинами. При цьому з'єднання відбувається у небагатьох точках контакту, що є наслідком нерівності будь-якої зовнішньої грані. Ряд авторів спостерігали злипання металевих порошків при кімнатній температурі під вакуумом. Тут розвиток зв'язків йде за рахунок дифузії.

Для так званого «схоплювання» характерними є значні пластичні деформації в зоні контакту і відповідні їм великі спотворення ґраток; наявність останніх полегшує виникнення зв'язаних між атомами двох контактуючих поверхонь. Схоплювання можливе при звичайних температурах; найважливішою умовою його виникнення є чистота дотичних поверхонь (відсутність плівок жирів, оксидів і т. д.). Схоплювання може бути як дуже шкідливим (тертя чистих поверхонь з ретельною обробкою; утворення наросту на різці під час різання), так і корисним фактором, навмисно використовуваним: холодне пластичне зварювання в стиках, отримання біметалів плющенням.

Дифузія у твердих тілах порівняно утруднена. Якщо прийняти швидкість дифузії в газах в середньому за одиницю, то вона становитиме для рідин приблизно 1 •10-5, а для твердих тіл – 1 • 10-9. Проте дифузія через поверхню має дуже великий вплив па властивості твердих тіл взагалі і їх поверхневих шарів зокрема. Навіть такі речовини, як скло, фарфор, гума, проникні для газів шляхом дифузії. У момент виділення водень проникає в залізо і нікель вже при кімнатній температурі. Дифундують і атоми інших металів: наприклад, молібден, вольфрам, кремній та інші, проникаючи в залізо, утворюють на його поверхні оболонки відповідних сполук (FеМo2; Fе2W; Fe2Si). Інтенсивність проникнення сторонніх атомів з глибиною різко знижується;  наприклад, при  нагріванні сталі в атмосфері окислу вуглецю концентрація її на поверхні більше 1%, на глибині 1 мм – 0,6%, на глибині 2 мм – 0,4%. Видалення атомів, що проникли шляхом дифузії у поверхневий шар, вдається важко. Так, зневуглецювання сталі виникає тільки після тривалого нагрівання в печах; для видалення водню, що проник у сталь при електролітичному цинкуванні, потрібна витримка близько двох годин у вакуумній печі при температурі 200 °С.

Одним із прикладів широкого використання явища поверхневої дифузії є цементація низьковуглецевих сталей (хіміко-термічна обробка).

Товщина металу під поверхнею має певні властивості, які обумовлюються впливом геометрії поверхні, явищами дифузії адсорбованих атомів з навколишнього середовища і, крім того, умовами росту кристалів. На оброблених поверхнях позначаються наслідки механічної дії інструмента у вигляді шару пластично деформованого матеріалу із структурою, що дуже відрізняється від решти маси стержня. У результаті дифузії в товщі поверхневого шару утворюються характерні хімічні та інші сполуки основного матеріалу з речовинами, що проникають ззовні.

У природному стані кристалічного тіла поверхня утворена зовнішніми гранями кристалів, з яких складається тіло. Граничні шари, що розділяють кристаліти, виділяються своєрідністю будови: сильно спотворені атомні ґратки, особливо сильна концентрація атомів домішок, що відтісняються при кристалізації.

Дія навколишнього середовища призводить до виникнення на поверхні різних сполук. Найтиповішим видом хімічної дії середовища на поверхню є утворення різних оксидів, що створюють на металевому тілі декілька шарів.

Оксиди виникають наслідок впливу атмосферного кисню й утворюються дуже швидко. Так, наприклад, на сталі можна спостерігати послідовно шари таких оксидів заліза в напрямі від поверхні: Fе2О3; Fе3O4; FеО + Fе3O4; FеО (рис. 2.4).

 

Рисунок 2.4 – Послідовності розміщення оксидів заліза від поверхні

Загальна товщина зовнішньої плівки становить у металах, що окислюються, приблизно 20–100 ?. Зокрема: у залізі – 15–25 ?  і  до  50 ?;   у   сталі  –  10–20 ?;    у  цинку – 5–6 ?; у алюмінію –100–150 ?.

У міді й мідних сплавах унаслідок окислення внутрішніх шарів поверхні утворюються окисел міді й мідянисті оксиди – залежно від процента вмісту міді у сплаві.

У сплавах, якщо додатковий компонент окислюється легше за основу, товща поверхневого шару характеризується таким чином:

а) оксиди домішкового металу виділяються у вигляді окремих частинок у ґратках основи;  такий розподіл оксидів спостерігається при високих температурах і дуже   невеликій  кількості домішок;

б) оксиди домішок виділяються тонкими шарами по межах зерен основного металу; цей вид виділення  спостерігається при нижчих температурах, незалежно від процента вмісту домішок;

в) частинки основного металу оповиті в матриці шаром оксиду легуючого елемента.

Очевидно, ці сполуки мають інші механічні властивості, ніж основний метал.

Тут не йде мова про окалину, яка утворюється під час обробки при порівняно високих температурах; окалина складається з тих самих оксидів, але проникає на велику глибину (декілька міліметрів, а при тривалому нагріванні – до 10–15 мм); вона має пористу структуру, слабо пов'язана з основним металом і легко опадає, створюючи великі місцеві дефекти на поверхні.

Одним із видів дії навколишнього середовища на метал є зневуглецювання граничного шару. Воно виникає при термічних операціях, наприклад, пов'язаних із прокатуван-ням. Під впливом значних температур вуглець може вигоряти повністю в зовнішній частині граничного шару, а глибше – частково; у першій зоні, таким чином, відсутні карбіди заліза, що відіграють таку велику роль у міцності сталі й, зокрема, в її зміцненні при пластичних деформаціях. Сутність процесу зневуглецювання полягає у тому, що при нагріванні одночасно відбуваються проникнення атмосферного кисню в поверхневий шар сталі й дифузія вуглецю зсередини назовні; якщо з більшою швидкістю відбувається дифузія, то виникає зневуглецювання; якщо більша швидкість окислення, то утворюється окалина без втрати вуглецю. Зневуглецювання починається при температурах вище 800-850°С. ГОСТ допускає зневуглецювання в різних видах прокату на глибину від декількох сотих міліметра до кількох міліметрів.

Наявність шару сталі, позбавленого вуглецю, іноді не чинить впливу на міцність, але в інших випадках впливає настільки шкідливо, що змушує вважати цей метал браком. При подальшій термічній обробці виникає небезпека розтріскування, тому що зневуглецьований шар має коефіцієнт температурного розширення відмінний від коефіцієнта термічного розширення серцевини. Ця сама обставина спричинює виникнення внутрішніх температурних напружень – розтягальних у зовнішньому шарі; вони несприятливі для міцності при змінних навантаженнях.

Прокатування.  Прокатні  метали мають дуже широке    застосування в промисловості.

Дефекти від прокатки детально висвітлені в монографії В. Д. Трофимчука.

Хоча процес прокатки і відбувається при значних температурах, що розм'якшують метал, усе ж таки прокатуваний профіль зазнає великих силових дій; відбуваються значні пластичні деформації. Як показує аналіз процесу проходження смуги через прокатні валки, при захопленні деформуються головним чином поверхневі шари, у середній зоні операції прокатування деформація майже припиняється і до моменту виходу з валів знову різко зростає. Серцевинні ж частини деформуються в основному тільки у середній зоні, а при захопленні валками і при виході практично не деформуються.

У результаті, незважаючи на підвищену температуру операції, неминучі залишкові напруження. Іноді вони сягають недопустимих значень, і тоді виникає явний брак. Якщо його наслідки  і  не перевищують меж, що допускаються ГОСТами, все одно зберігається значний вплив на стан усього металу і, зокрема, поверхні.

При цьому необхідно відзначити, що позначаються не тільки операції власне прокатування на стані, але й інші технологічні процеси, що передують, або подальші (розігрівання, охолодження і т. д.). Поверхневі пошкодження є найчастішим дефектом прокатки; до них належать: рябизна, тріщини, задири, розшарування, зморшки, а також загорнені складки, по яких метал залишається незвареним.

Рябизною називають шорсткість поверхні від наявності дуже дрібних, а іноді й досить помітних поглиблень протяжністю до декількох міліметрів, завглибшки від  0,01–0,1 до 0,5–1,0 мм; дно цих шорсткостей нерівне.

Рябизна типова для тонких листів. Причиною її можуть бути газові бульбашки в металі і деякі види окалини.

Значення рябизни для міцності металу таке саме, як й інших видів порушення геометричної правильності поверхні. До цього потрібно додати звичну хімічну активність поверхонь рябизни.

Тріщини на поверхні бувають від найдрібніших, невидимих оком до помітних, завглибшки 1–2 мм і більше, що поширюються по довжині іноді на декілька метрів. Часто тріщини настільки вузькі, що виявляються тільки після протравлення або зачистки поверхні. Причини утворення цих тріщин численні й різноманітні. Найістотнішими є такі.

1 Виступаючі кути профілю охолоджуються швидше за масивні частини і знижують пластичність.

2 Під час проходження через валки частинки біля поверхні захоплюються вперед, а усередині переміщення металу сповільнене й навіть на початку захоплення може мати зворотний напрям. Виникає велика  невідповідність між деформацією поверхні та внутрішніх   шарів.

3 При деяких системах валків є різка нерівномірність обтиснення по ширині профілю.

4 Для високошвидкісних станів небезпечне швидке або нерівномірне охолодження, наприклад:  затримка перед прокатною кліттю болванок, вийнятих із нагрівальних колодязів; охолоджування профілю, затиснутого у валках.5 Швидке охолодження після прокатування (так звані холодні тріщини). Цих тріщин не буває у м'яких сталях; але у більш твердих сталей вони виникають дуже часто і викликають значний брак. За звичайних умов охолодження прокатаних профілів у цеху різниця в температурі внутрішнього і зовнішнього шарів може бути велика (до 150°). Це викликає великі залишкові напруження і подальше розтріскування. Нерідко тріщини, пов'язані з умовами охолодження, з'являються через декілька днів після прокатування, вони можуть бути дуже великими за протяжністю. Для запобігання розтріскуванню необхідні дорогі пристрої для повільного охолоджування великих партій якісної сталі, що практично нездійсненно.

6 Можливі тріщини, що лежать близько від поверхні, виниклі через наявність підкіркових газових бульбашок у зливку. У ці бульбашки дифундують пічні гази, окисляючи внутрішню поверхню бульбашки; під час прокатки бульбашки стискуються, і тиск газів може прорвати оболонку, утворюючи тріщину або   «волосовину» – дрібну замкнену витягнуту порожнину із стінками, що не зварилися.

7 Різного роду неметалічні включення, що є причиною внутрішніх дефектів, можуть бути причиною і поверхневих тріщин: шматочок шлаку, золи або піщинка можуть бути втиснуті у розм'якшений метал і приховані невеликим його шаром; у майбутньому – це  осередок  руйнування.

8 До категорії тріщин можна віднести і такий дефект,   як рвані кромки профілю; він виникає найчастіше тому, що під час прокатки смуг, листів і т.д. профіль розплющується у валках на велику ширину, і частинки металу біля кромок витягуються сильніше, ніж у середині (рис. 2.5 ).

 

Рисунок 2.5 – Розплющування краю стрічки, у валках стану (а); утворення плівок (б); і заходів (в) під час прокатки

Іншим видом порушення поверхні під час прокатки є так звані плівки. Вони є, як правило, порівняно тонким плоским  відшаровуванням, товстий кінець якого пов'язаний з основним металом (рис. 2.5 б); по ширині й довжині плівки бувають від ледь помітних до довгих – 100 мм і більше; товщина від 0,1 до 3–5 мм і більше. Причини таких плівок досить різноманітні; вони становлять для міцності серйозний місцевий дефект, що часто залишається непоміченим.

При швидкому нагріванні перед прокаткою виникає дефект, що називається «заходом». Захід – це складка, що не заварилася, втиснута всередину металу в процесі прокатки (рис. 2.5 в). Цей дефект виникає при швидкому нагріванні перед прокатуванням: кромки нагріваються сильніше і, будучи пластичнішими, більше деформуються при перших проходах; при подальших проходах утворюється внутрішня складка, що рівноцінна гострому надрізу і може стати осередком розвитку тріщини.

Мікротвердість поверхневого шару характеризує ступінь його пластичної деформації в процесі обробки. Твердість поверхневого шару відрізняється від твердості основного металу. Ступінь зміцнення може бути оцінений за коефіцієнтом

де – максимальна твердість шару;

   –  твердість основного металу.

Важливим показником фізичного стану поверхневого шару деталей машин є його структура. Поверхневий шар обточеного зразка нормалізованої середньовуглецевої сталі своєю  будовою  відрізняється  від  основного   металу (рис. 2.6). Кристаліти тут більш витягнуті, деформовані. Біля поверхні зосереджена велика кількість твердих складових цієї сталі (перліт); ферит, як м'якша складова, витиснений. Необхідно зазначити, що аналогічна картина виявляється на поверхні тертя ковзання для цих сталей.У роботі Б. Д. Грозіна і його колег,  які всебічно досліджували механізм формування структур поверхневих шарів деталей машин під час їх виготовлення, було показано, що при  шліфуванні  загартованих  сталей  відбувається аустенітно-мартенситне   перетворення,  а   також   швидко  перебігаючий відпуск.

 

Рисунок 2.6 – Структура поверхні низьковуглецевої сталі після обточування

Відмінність у питомих об'ємах структурних складових викликає високі структурні напруження. Ці напруження можуть призвести до утворення тріщин; при шліфуванні в різних марках сталей спостерігалися розтягуючі напруження на глибину 0,1–0,3 мм, що досягають на поверхні величин порядку 25–40 кг/мм2. Виниклі тріщини проходять, як правило, по зоні відпуску або ж по межі між нею і зоною вторинного гартування.

Механізм зміни стану і властивостей поверхневого шару визначається ефектом одночасної дії тиску і температури.

Для металів стабільної структури цей ефект виражається у співвідношенні процесів зміцнення і відпочинку; структурні зміни практично не виявляються. Для сталей метастабільної структури основний ефект виражається у вторинних структурних перетвореннях. Глибина зони структурних змін становить від 5 до 500 мкм.

Важливою особливістю структурних змін під час механічної обробки металів є також ступінь рівномірності вторинних змін по поверхні.  Якщо після точіння при високих швидкостях різання шар вторинного гартування відносно рівномірно розподілений по поверхні, то при шліфуванні цієї рівномірності немає.  Опіки гартування і відпуску на поверхні чергуються. Великий вплив на властивості поверхні чинить макрогеометрія. Якщо виріб, що підлягає шліфуванню, має перед цією операцією хвилястість (що може бути результатом вібрацій під час точіння), то під час шліфування тепловий ефект на гребенях буде значно сильнішим, ніж на западинах; на гребенях може вийти вторинне гартування з високою твердістю, а в западинах – вторинний відпуск. Потрібно, крім того, врахувати, що тепловий ефект проникає глибше, ніж товщина шару, що, як правило, знімається. Таким чином, попередня підготовка виробу до шліфування набуває великого практичного значення: якщо була в наявності хвилястість заготовки, то поверхня геометрично правильно  відшліфованої деталі приховуватиме твердіші й слабкіші ділянки, що чергуються. У зонах, де відбувся вторинний відпуск, можливе зародження тріщин від циклічних навантажень. Ступінь нерівномірності структури поверхневого шару дуже впливає на експлуатаційні  показники   деталей  машин.

На сьогоднішній день у результаті численних досліджень можна вже науково обґрунтувати вибір раціонального режиму і послідовності обробки деталей машин, спрямований на отримання поверхневого шару, оптимального за експлуатаційними показниками.

Основний принцип полягає в такому: попередні операції не повинні створювати зон нерівномірних структур, а подальші мають видаляти ці зони, якщо вони виникли, і не створювати нових. В цьому відношенні важливо, щоб полірування деталі, що має на меті підвищити чистоту поверхні, не створювало зон відпуску зниженої твердості.



загрузка...