Микроискажений кристаллической

Качество поверхностного слоя заготовки сказывается на возможности ее последующей обработки и на эксплуатационных свойствах детали (например, усталостная прочность, износостойкость). Оно формируется практически на всех стадиях изготовления заготовки. Технологический процесс определяет не только микрогеометрию поверхности, но и физико-механические свойства поверхностного слоя.

Вероятно, нельзя получить хорошее согласование опытных данных с расчетной зависимостью, если последняя учитывает только влияние теплофизических свойств материала теплоотдающей поверхности и не учитывает ее микрогеометрию. Последний фактор, по-видимому, оказывает решающее воздействие на интенсивность теплообмена при кипении. Опираясь на теорию зарождения и роста паровых Пузырей, а также на результаты исследования характера микрогеометрии, образующейся при разных способах обработки материалов, авторы работы [79] рекомендуют нормировать значительное число параметров, характеризующих микрогеометрию поверхности: Rz — высоту неровностей профиля по десяти точкам; -^макс — сумму из наибольшей высоты выступов шероховатости и наибольшей глубины впадины в пределах базовой длины трубы; Ra— среднеарифметическое отклонение профиля; Sm — среднеарифметическое значение шага неровностей в пределах базовой длины и /р — относительную опорную длину профиля. Такой большой набор нормируемых параметров авторы объясняют тем, что одинаковые виды механической обработки разных материалов приводят к различной структуре микрогеометрии поверхности. Однако для количественной оценки влияния отдельных параметров мы еще не располагаем достаточным объемом экспериментального материала.

С 1 января 1946 г. был введен другой стандарт а на чистоту (микрогеометрию) поверхности, в котором предусматривалась классификация чистоты поверхностей в зависимости от среднего квадратического отклонения Яск (обозначаемого теперь через Rq) их неровностей от средней линии профиля, причем устанавливалось, что последняя делит профиль таким образом, что площади по обеим сторонам от этой линии до профиля равны между собой. Кроме того, было указано, что в случаях, когда необходимо измерить максимальную высоту неровностей Ямако (обозначаемую теперь через /?тах), определить классы чистоты можно путем пересчета на Яск. Четыре группы чистоты поверхности в стандарте были сохранены и подразделены на три класса чистоты в каждой из первых трех групп, а IV группа была подразделена на пять классов, так что всего было установлено 14 классов чистоты. Самый грубый 1-й класс соответствовал значениям Rq

I. Специальные методы (рис. 7.13) обеспечивают в основном оптимальную микрогеометрию поверхности. Вибрационное обкатывание в отличие от распространенных методов обработки поверхностей имеет две особенности: во-первых, микрорельеф создается не процессом резания, а за счет вдавливания, что существенно влияет на форму неровностей; во-вторых, рисунок микрорельефа регламентируется, т. е. процесс формирования геометрических характеристик поверхности становится управляемым по двум показателям.

Большее внимание следует уделять вопросам качества механической обработки, в первую очередь финишным операциям. Широкое внедрение алмазно-абразивной обработки, а также развитие электрофизических и электрохимических методов позволяют значительно ускорить проведение и повысить качество финишных -операций, обеспечивающих получение необходимой шероховатости поверхности и точности обработки. Для тонкостенных деталей имеет значение применение методов финишной обработки с минимальной силой, воздействующей на обрабатываемое изделие. Таким требованиям удовлетворяют электрохимическая, ультразвуковая, гидроабразивная и другие виды обработки. Наряду с финишной обработкой, осуществляемой путем удаления слоя металла, следует более широко применять методы тонкой пластической деформации, при которых точность формы и требуемое состояние поверхности изделия достигаются уплотнением наружных слоев металла. Тонкое пластическое деформирование позволяет получить не только необходимую макро- и микрогеометрию поверхности, но и повысить износостойкость и создать благоприятные напряжения, способствующие в ряде случаев повышению эксплуатационных свойств машин.

Однако проведенные исследования показали, что на фактическую микрогеометрию поверхности не оказывает влияние ни подача (при 5г<4),32 мм); ни радиус при вершине резца, ни главный угол в плане. В основном качество поверхности при торцовом фрезе-

Технологический процесс определяет геометрические и физико-химические параметры поверхностного слоя — микрогеометрию поверхности, ее твердость, структуру и другие показатели качества.

Машиностроение обладает достаточно эффективными технологическими методами, могущими обеспечить требуемые каяества поверхностного слоя деталей машин, и заводская практика может обеспечивать самую разнообразную микрогеометрию поверхности и раз-

Пневмодинамическое упрочнение улучшает микрогеометрию поверхности, повышает предел выносливости деталей на 10-25%, при этом ПДК отличаются простотой конструкции и малой металлоемкостью. Пневмоди-намические камеры могут быть использованы в различных отраслях машиностроения при упрочнении шлиц валов.

Пневмодинамическое упрочнение улучшает микрогеометрию поверхности, повышает усталостную прочность деталей из труднообрабатываемых сплавов типа ЭИ961Ш на 15—20%. При этом ПДК отличается простотой конструкции и малой металлоемкостью. Пневмодинамические камеры могут быть использованы в различных отраслях машиностроения при упрочнении внутренних поверхностей валов.

обработки оказывает подача (фиг. 188); глубина резания при достаточной жесткости технологической системы практически не оказывает влияния на чистоту поверхности (фиг 189). Скорость резания заметно влияет на микрогеометрию поверхности при обработке стали 45 и несколько слабее при обработке серого чугуна и бронзы. С изменением скорости резания от 20 до 300 м/мин при обта-

Рис. 40. Определение усталостной долговечности по изменению уровня микроискажений кристаллической решетки стали 12Х18Н10Т (по сравнению с опытным методом)

Рис. 41. Определение усталостной долговечности по изменению уровня микроискажений кристаллической решетки стали 12Х18Н10Т (по сравнению с расчетным методом)

Сильфоны УЧЭ КИП и А газопромыслового и газоперерабатывающего оборудования по конструкции аналогичны ГМР и компенсаторам и изготавливаются обычно из прецизионных диспер-сионно-твердеющих сплавов аустенитного класса типа 36НХТЮ, 68НХВКТЮ и др., обладающих особыми упругими свойствами. Благодаря особенностям геометрической формы и служебному назначению, они способны совершать значительные низкочастотные пе,; мещения под действием осевой или поперечной сил и изгибающего момента в присутствии сред, содержащих сероводород, углекислый газ и хлориды, то есть также работают в условиях малоцикловой коррозионной усталости. Причем микротопографический и фрактографический анализы вышедших из строя сильфонов УЧЭ, выполненные в УГНТУ на растровом электронном микроскопе РЭМ-200, показали, что отчетливо выраженные участки питтинговок коррозии и их плотность значительно выше во впадинах и выступах гофр. Это, по-видимому, связано с неравномерным распределением остаточных напряжений по профилю гофры при ее формировании. Определенные там же на рентгеновском аппарате УРС-55 (совместно с Д.Е. Бугаем) технологически унаследованные остаточные напряжения по профилю гофры сильфона в виде микроискажений кристаллической решетки (Ad/d) металла показаны на рис. 42. Видно, что действительно распределение остаточных напряжений характеризуется резкой их неоднородностью в областях выступов и впадин гофр, то есть там, где металл в процессе изготовления сильфона был подвергнут максимальным остаточным пластическим деформациям (аналогичное распределение наблюдалось нами и по профилю ГМР). В процессе эксплуата-

Поскольку развитие коррозионной усталости в нержавеющих сталях связано с чередующимися процессами локальной активации — депассивации — репассивации металла, в качестве изучаемой электрохимической характеристики был выбран потенциал нарушения пассивного состояния. Действительно, максимальный меха-нохимический эффект проявляется тогда, когда площадь растворения металла ограничена областью наибольшей деформационной активации металла. Такие условия как раз возникают в случае деформирования нержавеющих сталей, в которых активное растворение происходит с локальных участков в местах выхода плоскостей скольжения, тогда как остальная поверхность металла остается запассивированной [36]. Повышенная химическая активность дислокаций в местах выхода плоскостей скольжения приводит к уменьшению потенциала пробоя оксидной пассивирующей пленки. Последний определяется потенциодинамическим методом при скорости навязывания потенциала 0,4 В/мин с помощью по-тенциостата в специальной ячейке прижимного типа в тех же участках поверхности образцов, где перед этим производился рентге-ноструктурный анализ. Величина потенциала пробоя (питтингооб-разования) фиксировалась по резкому увеличению плотности анодного тока. Для исследуемой стали 12Х18Н10Т ранее была установлена зависимость потенциала питтингообразования от степени наклепа при статическом нагружении, хорошо коррелирующая с величиной микроискажений кристаллической решетки, обусловленной изменением конфигурации дислокационной структуры [36].

На рис. 43 приведены зависимости микроискажений кристаллической решетки аустенитной стали 18-10 от числа циклов на-гружения в малоцикловой области, показывающие стадийность усталостного процесса, имеющую различный характер при испытаниях на воздухе и в коррозионной среде. В первом случае достижение уровня микроискажений, приводящего к разрушению, приурочено к концу усталостных испытаний непосредственно перед разрушением, во втором - этот уровень достигается на ранних стадиях нагружения. При этом обнаруживается четкая корреляция между изменениями микродеформаций кристаллической решетки и потенциалами нарушения пассивного состояния: с увеличением уровня микроискажений кристаллической решетки сплава, повышающего химический потенциал его атомов, происходит падение потенциала питтингообразования.

Рис. 43. Изменение уровня микроискажений кристаллической

С каждой стадией уровень запасенной энергии в переплетениях дислокаций увеличивается, объем клубков возрастает и повышается количество атмосфер примесных атомов. Поэтому для очередного сброса уровня запасенной энергии становится необходимой все более высокая стартовая энергия в плоских скоплениях для начала поперечного скольжения, приводящего к релаксации. Об этом свидетельствует последовательное ступенчатое увеличение уровней микроискажений кристаллической решетки перед каждым очередным релаксационным процессом, в конечном итоге приводящее к усталостному разрушению, когда энергия приложенной микродеформации превысит энергию связи атомов матрицы. При этом в приповерхностных слоях металла образуются суб-микротрещины, развивающиеся в микро- и макротрещины.

Иная картина наблюдается при коррозионно-усталостном нагружении (в присутствии электролита;. За счет хемомеханическо-го эффекта облегчается интенсивный выход дислокаций из объема з приповерхностные слои и устанавливается термодинамически более равновесное состояние кристаллической решетки металла по эффективной глубине проникновений рентгеновского луча. Поэтому уровень микроискажений кристаллической решетки на начальных циклах нагружения ниже, чем при испытании на воздухе (до 600 циклов). Далее начинают преобладать процессы поперечного скольжения и релаксации напряжений. Однако постоянное генерирование дополнительного потока дислокаций за счет поверхностной электрохимической реакции из объемов металла поддерживает высокую запасенную энергию и их плотность. Следствием этого является более плавное, чем на воздухе, уменьшение уровня микроискажений в интервале от 600 до 2000 циклов. При

этом постепенно в приповерхностных слоях металла создается высокая концентрация дислокаций и дефектов упаковки и образуется своеобразный потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему выходу дислокаций на поверхность. Кроме того, происходит диффузионное перемещение части примесных атомов к поверхности, где они служат активными центрами закрепления дислокаций, группирующихся в малоподвижные атмосферы. Вместе с тем под воздействием циклических деформаций и хемомеханического эффекта в "запертом" объеме металла интенсивно формируются новые пачки скольжения и плоские дислокационные скопления, что приводит к резкому повышению уровня микроискажений кристаллической решетки в интервале 2-4 тыс. циклов. После очередной полосы релаксационных процессов и спада уровня микроискажений достаточно лишь незначительное его повышение, чтобы образовавшиеся ранее субмикротрещины развились в микро-, а затем в макротрещины и произошло разрушение.

Тонкие структурные изменения, происходящие при коррозионной усталости, являются следствием механохимических процессов, имеющих автокаталитический характер: деформационное упрочнение поверхности металла, повышая его химический потенциал, приводит к ускоренному механохимическому растворению запирающего слоя, то есть к стимуляции хемомеханического эффекта. Последний, в свою очередь, за счет пластифицирующего действия способствует более энергичному деформационному упрочнению поверхностных слоев металла и последующему еще более ускоренному механохимическому их растворению и повторению описанного цикла. Уровень микроискажений кристаллической решетки при этом колеблется по амплитуде более интенсивно, чем на воздухе, вызывая ускоренное коррозионно-усталостное разрушение. Коррозионно-усталостная долговечность в итоге оказывается примерно в 2 раза меньше, чем долговечность на воздухе. Наблюдается аналогичная зависимость и микротвердости от числа циклов нагружения этой стали.

ческими исследованиями реплик, снятых с поверхности исследуемых образцов (рис. 46)'при 750 циклах. При усталостном нагруже-нии на воздухе микродеформационные процессы связаны с интенсивным скольжением (видны грубые ступеньки пачек скольжения). При коррозионной усталости в среде 3%-ного хлорида натрия определяющее значение уже имеет деформационное двойникование (рис. 47). Такой механизм микропластической деформации путем однородного поворота решетки может быть реализован только при высокой локальной концентрации напряжений. В условиях коррозионной усталости этому, очевидно, способствовали протекающие сопряженные механохимические явления на поверхности образца. Результаты рентгенографического определения микроискажений кристаллической решетки этого сплава также подтверждают сказанное. При пересечении двойников возникают высокие механические напряжения, а для титана - значительные остаточные деформации, не свойственные для других металлов. Наличие границы между двойниковой прослойкой и материнским кристаллом, являющейся своего рода межфазпой границей двух, различно ориентированных частей металла, приводит к повышению его свободной энергии. С точки зрения микроструктуры, это сказывается на изменении сил связи атомов металла в граничной области. С термодинамической точки зрения, это увеличивает химический потенциал металла на двойникующих границах, снижает энергию активации и приводит к ускоренному коррозионно-усталостпому разрушению.