Резюмуємо коротко особливості поверхні й приповерхневих шарів металу:
1) поверхня не є геометрично правильною, вона містить виступи і западини більшої або меншої величини залежно від характеру обробки;
2) субмікроскопічні тріщини поверхні обґрун-товуються теоретичними міркуваннями й у ряді випадків достовірно підтверджуються дослідами;
3) хіміко-фізичний вплив навколишнього середовища створює умови, що сприяють зародженню осередків руйнувань на поверхні;
4) технологічна обробка – прокатка, обробка тиском, різні види різання та обробки поверхні – призводить до сильних змін у структурі поверхневих шарів. Унаслідок цього вони дуже часто сильно наклепуються, мають підвищену твердість; у них від поєднання дії різних перелічених вище факторів створюється складна картина напружень, у яких переважаючу роль виконують напруження 1-го роду й орієнтовані 2-го роду. У ряді випадків числові значення напружень набагато перевершують ті, що допускаються для даного металу.
Зі всього зазначеного зрозуміло, яке велике значення має якість поверхні в питаннях міцності, а тому вивченню цього питання останнім часом приділяється значна увага. Вже встановлений сильний вплив якості поверхні на динамічну й ударну міцність, на знос, на хімічну стійкість. Подальше вивчення повинне ще більше висвітлити роль поверхні при статичних навантаженнях.
Механічні властивості при статичному навантаженні. У поверхневих шарах спотворення структури атомами домішок особливо великі; тут дуже часто спостерігається наклеп. Тому на поверхні метал найчастіше твердіший і крихкіший, ніж углибині. Дифузійне насичення поверхневих шарів деякими металами породжує крихкість; така, наприклад, дія сполук заліза з молібденом, вольфрамом, берилієм, кремнієм. Аналогічна дія оксидної плівки, що значно підвищує опір деформації, особливо у м'яких металів.
Наскільки сильно може вплинути стан поверхневого шару на окремі механічні показники, свідчить такий факт: досліджувалося загасання коливань у сталевих стержнях з перерізом близько 0,8 см2, нехромованих і хромованих; виявилося, що при товщині покриття 0,05 мм декремент загасання (внутрішнє тертя) підвищувався приблизно в чотири рази, а при товщині 0,15 мм – приблизно до 12 разів. Швидше за все, це пояснюється спотвореннями ґраток через насичення воднем.
Велика жорсткість зовнішніх шарів перешкоджає розвитку пластичних деформацій. Ф. П. Рибалко і М. В. Якутович наносили систему рисок глибиною всього в 1 мкм на поверхню полірованих зразків і виявили, що зразки із шорсткою поверхнею давали зрушення в 14 разів менші, ніж зразки поліровані; міцність виявилась однаковою. Цікаві дані одержані І. І. Морозом. За результатами його дослідів ряд операцій, пов'язаних із процесом електролітичного цинкування, відчутно впливає на механічні властивості сталей, особливо високовуглецевих: позначається не тільки сам процес цинкування, але і травлення в кислоті, катодна обробка в лугах; тривале цинкування мало відображається на показниках міцності, але дуже різко знижує пластичність. Так, при тривалості цинкування 1–1,5 год межа текучості та межа міцності знижуються всього на 4–6% порівняно з вихідним матеріалом, а подовження в 3–4 рази, поперечне звуження – в 5–10 разів. Низька технічна міцність крихких матеріалів, порівняно з теоретичною, пояснюється тим, що розрив відбувається не відразу, а розвивається у вигляді послідовного поширення тріщини, що виникла у дефектному місці; тут вирішальну роль відіграє поверхня, що доведена рядом дослідів, починаючи з класичних дослідів Іоффе. Як приклад можна навести результати дослідів Б.Я.Льовіна. Досліджуючи вплив обробки поверхні на міцність скла, він виявив, що дряпання скла й аналогічне за дією шліфування знижують нормальну міцність скла не менше ніж у 3 рази, тоді як усунення дефектів поверхні травленням підвищує її в 2–2,5 раза. Особливо посилюється ефект руйнування адсорбцією ззовні, яка знижує сили зчеплення на поверхні, зменшує поверхневу енергію і цим полегшує виникнення тут осередків руйнування.
Втома металу. Впливу якості поверхні на міцність деталей, що працюють при змінних напруженнях, присвячено дуже багато робіт. Необхідно зупинитися на загальних висновках, які можна зробити з цього питання.
Втомне руйнування найчастіше виникає на поверхні. Це викликано поєднанням ряду несприятливих умов:
1) у складних напружених станах, які характерні для рухомих частин машин, найбільші розрахункові напруження, як правило, виходять на поверхні;
2) на поверхні якнайбільше є концентраторів напруження або у вигляді різких змін у контурах деталі, або у вигляді недосконалості обробки;
3) крім загальних дефектів структури, поверхневим шарам властива специфічна недосконалість, така як тріщинуватість, сліди корозії та інше;
4) у поверхневих шарах дуже часто виникають великі залишкові напруження – іноді сприятливі, іноді – шкідливі.
Вплив ретельності обробки поверхні дуже великий. Чим тонший характер обробки, тим вища межа втоми.
За даними дослідження С. В. Серенсена, чим вища міцність сталі, тим більшу роль відіграє обробка поверхні; залежно від неї межа втоми може знизитися в 2–3 рази, як це бачимо з табл. 2.1.
Дані численних дослідів, наведені у праці Л. Лава, показують, що для різних марок сталі межа втоми при грубій шорсткій поверхні становить 65–90% від міцності полірованих зразків, при штампуванні – 46–80%; катастрофічне зниження межі втоми спостерігається у високоміцних хромонікелевих сталей з межею міцності порядку 2000 МПа.
Така велика роль рельєфу пояснюється впливом нерівностей і тріщин, по-перше, на адсорбційні явища і, по-друге, на концентрацію напружень.
Таблиця 2.1 – Вплив обробки поверхні на зниження межі втоми маловуглецевої сталі
Характер обробки
Межа втоми, МПа
47
93
140
Чисте полірування
Грубе полірування
Тонке шліфування
Грубе шліфування
Фрезерування
10,0
9,5
9,3
9,0
7,0
10,0
9,3
9,0
8,0
5,0
10,0
9,0
8,8
7,0
3,5
Концентрація напружень залежно від знака може виявитися дуже небезпечною в поверхневих шарах, тому що там і без того особливо великі залишкові напруження. Значення рельєфу у втомному руйнуванні було виявлене у працях І. В. Кудрявцева.
За його дослідами поверхневі надрізи сильно знижують втомну міцність. Якщо ж ці надрізи штучно закриті з поверхні, то ніякого істотного впливу на межу втоми вони не чинять; це між іншими факторами відображає вплив ефекту Ребіндера.
Такий самий і вплив заходів кромок під час прокатки, волосовин, корозійних виразок і подряпин.
Що стосується нерівностей рельєфу субмікроскопічного порядку, то вони не викликають концентрації напружень, але, як вважають, сприяють виникненню зрушень і дуже впливають на явища адсорбції.
Роботи Г. В. Карпенка розкрили механізм адсорбційної і корозійної втоми металів. Адсорбційна втома металів базується на ефекті П. А. Ребіндера, який полягає в зниженні міцності матеріалів під впливом поверхнево-активних середовищ.
З інших явищ, що впливають на втомну міцність, відзначимо зневуглецювання. Чим вища міцність сталі, тим сильніше знижується межа втоми від зневуглецювання; за рядом дослідів зниження межі втоми досягає 20% у звичайних сталях і до 77% у високоміцних.
Останніми десятиліттями у вивченні втомної міцності досягнуті великі успіхи. З'ясована роль рельєфу, тріщинуватості, залишкових напружень 1-го роду. В результаті виявилися дуже ефективні прийоми підвищення втомної міцності. Розкриття фізичної картини поверхневих явищ дозволило швидко піти вперед у цій галузі. Був запропонований ряд дуже ефективних прийомів, що сильно підвищують міцність при змінних напруженнях.
Зі всіх сучасних технологічних прийомів, що підвищують міцність металів при змінних напруженнях, у яких враховано вплив фізичного стану поверхневого шару на механізм втомного руйнування, можна відзначити такі.
1 Зниження концентрації напружень шляхом підвищення якості обробки поверхні.
2 Усунення окремих зон концентрації напружень біля вирізів, отворів і т. д.
3 Створення на поверхні сприятливих залишкових напружень. Розтягуючі напруження знижують втомну міцність при повторному вигині; стискні залишкові напруження підвищують втомну міцність.
З прийомів, що створюють наклеп стискування в поверхневих шарах, особливе поширення набули обкатка загартованим роликом і обдування сталевим дробом. Використання цих прийомів підвищує межу втоми, за даними І. В. Кудрявцева, в межах більше 20%. Застосовується також місцеве пластичне обтискання поверхні в зонах високої концентрації напружень. Глибина шару, що наклепується, коливається в межах 0,1–0,4 мм; накладені напруження стискування досягають 400 – 1150 МПа.
4 Як показують дослідження, при азотуванні досягається підвищення втомної міцності до 50%, при цьому спостерігаються високі стискні залишкові напруження в азотованому шарі. Така картина відповідає проникнення в основні ґрати «великого» атома, що пов'язане з виникненням стискних напружень.
Вивчення дифузії газів у товщину металів показує, що у ряді випадків вона супроводжується збільшенням параметра ґраток; це і повинно призвести до її спотворення і до виникнення своєрідного наклепу.
5 Вивчення залишкових напружень у різних видах металевих покриттів допомогло з'ясувати, чому в більшості випадків захисні покриття, що облагороджують поверхню, негативно позначаються на межі втоми; у металевих покриттях виникають, як правило, напруження розтягнення, тобто дуже шкідливі з погляду втоми. І дійсно, встановлено, що нікелювання може понизити межу втоми на 50%, хромування – на 40%, цинкування – на 10%; помітне зниження виходить при лудінні; деякий негативний вплив спостерігається і при покриттях кадмієм, алюмінієм, свинцем (зниження 7–10%).
Для опірності удару дуже велике значення має концентрація напружень. Тому чим ретельніше оброблена поверхня, тим вищий опір удару. Так, зниження висоти виступів рельєфу на 30% збільшує ударну довговічність на 60–65%. Ще давні досліди показали, що при тонкому травленні латуні цей показник зростав на 20–45%; це пояснюється тим, що при такій обробці зменшується кривизна рисок, гострі западини згладжуються і цим знижується ступінь концентрації напружень.