Физико-механические свойства поверхностного слоя детали

Физико-механические свойства поверхностного слоя изменяют­ся при изготовлении и ремонте деталей машин (при механической обработке происходит пластическая деформация поверхностного слоя металла, распространяющаяся на некоторую зону, расположен­ную под обработанной поверхностью), а затем — во время эксплу­атации под действием силовых, температурных и других факторов.

Физическое состояние поверхностного слоя металла деталей харак­теризуется его структурой, величиной, знаком и характером распре­деления остаточных напряжений, толщиной деформированного слоя, поверхностной твердостью, ориентировкой структуры, размерами блоков, плотностью дислокаций, концентрацией вакансий, фазовым составом металла, типом и параметрами кристаллической решетки, химическим составом и др.

Отроение металлов

Металлы и металлические сплавы — тела кристаллические. Ато­мы (ионы) в них расположены закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы располагаются беспорядочно (хаотично). Ме­таллы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (1000…0,1 мкм), различно ориентированных кристаллов. Вследствие разных условий кристаллизации металла эти кристаллы имеют неправильную форму. Их называют кристаллита­ми или зернами металла.

Сплавы — сложные вещества, образующиеся при затвердевании жидких систем или в результате диффузионного насыщения и состо­ящие из двух или нескольких компонентов (металлов и неметаллов). Структура — форма, размеры и характер взаимного расположения кристаллитов, образующих металл или сплав.

Микроструктура — кристаллическое строение металлов или спла­вов, обнаруживаемое с помощью металлографического или электрон­ного (при больших увеличениях) микроскопа, позволяющего разли­чать размеры, форму и расположение отдельных зерен металла, внут­реннее их строение. Макроструктура — структура металла, видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Выявляется изломом брусков или травлением отполированной или тонко отшлифованной поверхности металла в специальных ре­активах. При просмотре макроструктуры могут быть выявлены де­фекты металлов и сплавов — трещины, усадочные раковины и т. д.

Атомно-кристаллическая структура — взаимное расположение ато­мов (ионов), существующее в реальном кристалле. В твердом состоя­нии все металлы имеют кристаллическую структуру. Атомы в крис­таллах металлов располагаются в узлах пространственной решетки. Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоско­стей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве.

Ионы в узлах кристаллической решетки колеблются с частотой по­рядка 1013 колебаний в секунду. Это движение не прекращается даже при температуре, близкой к абсолютному нулю. Плоскости решетки расположены на определенных расстояниях друг от друга.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атом­ной структуре металла в любом объеме, получил название элемен­тарной кристаллической ячейки. Форма элементарной ячейки пространственной решетки металлов (рис. 1.7), как правило, очень простая и представляет собой чаще всего куб.

Из металлов, наиболее часто используемых в технике, решетку объемно-центрированного куба (рис. 1.7, а в котором атомы рас­положены в углах куба и один атом в центре объема куба, имеют железо (а, (3 и 5), хром, вольфрам, молибден и ванадий; гранецент­рированную решетку (рис. 1.7, 6), в которой атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани, имеют железо (у), алюминий, медь, никель и свинец; тетрагональную решетку (рис. 1.7, в) имеет некоторые модификации олова и марганца; гексагональную решет­ку (рис. 1.7, г), в которой атомы расположены в углах и центре ше­стигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы, имеют цинк, кадмий, магний, титан и т. д.

Реальные кристаллы в металлическом изделии не имеют идеаль­ного расположения атомов в решетке. Атомная решетка реального кристалла искажена влиянием, например, соседних кристаллов, на­личием внутренних напряжений и др. Под влиянием этих факторов в решетке реального кристалла появляются смещения и пустоты, ре­шетка разделяется на небольшие блоки (1СГ6…10~^ см), располо-

в г Рис. 1.7. Формы элементарных ячеек пространственных решеток металлов: а — кубическая объемно-центрированная; б — кубическая гранецентрированная; в — тетрагональная; г — гексагональная плотноупакованная

женные под некоторым углом друг к другу (рис. 1.8). Дефекты (несовершенства кристалличес­кого строения) подразделяют по геометрическим и признакам на точечные и линейные (рис. 1.9).

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точеч­ным дефектам относятся вакансии (дефекты Шотки), т. е. узлы ре­шетки, в которых атомы отсутствуют. Вакансии образуются в ре­зультате перехода атома из узла решетки на поверхность или полно­го испарения его с поверхности кристалла.

В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия кото­рых значительно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные у поверхности, мо­гут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, нахо­дящиеся дальше от поверхности. Принадлежащие указанным атомам узлы окажутся свободными, т. е. возникнут тепловые вакансии. Чис­ло вакансий при температуре, близкой к температуре плавления, мо­жет достигнуть 1 % по отношению к числу атомов в кристалле.

Колеблющиеся атомы кристалла могут занять место в промежут­ке решетки (дефекты Френкеля) (см. поз. 1 рис. 1.9). На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие, образуется вакансия.

Рис. 1.9. Дефекты строения кристаллической решетки [7]:

I — вакансия; 2 — межузельные атомы; 3 — замещенный примесный атом; 4 — внедренный примесный атом; 5 — краевая дислокация; 6 — малоугловая грани­ца; 7 — моноатомный слой примесных атомов; 8 — большеугловая граница

Возникновение межузельных атомов в металлах затруднено, основными точечными дефектами в них являются тепловые вакан­сии. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристалличес­кой решетки (рис. 1.9) и влияют на некоторые физические свойства (электропроводность, магнитные и др.), а также на фазовые пре­вращения в сплавах.

Линейные несовершенства (дефекты) имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Дислокации являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. По своей природе они резко отличаются от других дефектов. В настоящее вре­мя не только прочность, но и фазовые, и структурные превращения, а также целый ряд других явлений рассматривают с использовани­ем теории дислокаций. К основным видам дислокаций относятся кра­евые и винтовые.

Краевая дислокация (см. поз. 5 рис. 1.9) представляет собой лока­лизованное искажение кристаллической решетки, вызванное нали­чием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости (перпендикулярна к плоскости чертежа). Наиболее простой способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние (рис. 1.10), причем зафиксировать положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только часть ее АВСД, то граница между участком, где скольжение уже произошло, и ненаг — руженным, в плоскости скольжения, и будет дислокацией. Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига. Край экстраплоскости АВ представляет собой линию краевой дислокации, длина которой может достигать многих тысяч межатомных рассто­яний. Дислокация может быть пря­мой или выгнутой в ту или другую сторону. Движение краевой дисло­кации — консервативное, без пере­носа вещества. Характеристикой дислокационной структуры являет­ся плотность дислокаций — суммар­ная длина всех линий дислокаций в единице объема.

Винтовые дислокации (впер­вые описаны Бюргерсом) могут быть получены частичным сдви­гом кристалла по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 1.11). В от­личие от краевой она располага­ется параллельно направлению сдвига. При этом на поверхности образуется ступенька, проходя­щая не по всей поверхности крис­талла, а только от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превра­щается как бы в одну атомную плоскость, закрученную в виде винтовой поверхности.

Вокруг дислокаций на протя­жении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен (блоков), образующих так назы­ваемую субструктуру. Обычно зерна металла разориентированы на ве­личину от нескольких долей градусов до нескольких градусов.

Границы блоков (субзерен) образованы дислокациями. В реаль­ном поликристаллическом металле число дислокаций огромно (10 …101Z cm”z). Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из групп вакансий, а также в процессе термической обработки, пластической деформации и фазовых превращений.

Пластическая деформация существенно изменяет структуру и свой­ства металла. В результате сдвигов зерна разделяются на блоки, об­разуются мелкие части зерен, отличающиеся строением кристалличес­кой решетки. Изменяется форма зерен: они вытягиваются в одном нап­равлении в зависимости от направления действия силы. Зерна скользят относительно друг друга и поворачиваются на некоторый угол таким образом, что создается ориентация их в поликристаллическом образ —

це, называемая текстурой. Смещение атомов и искажение решетки создают значительные внутренние напряжение в металле.

Основной причиной упрочнения поверхностной пластической де­формацией является лавиноподобное развитие дислокаций — дефек­тов кристаллической решетки металла, скапливающихся вблизи линий сдвигов, и последующее их застревание перед различного рода препятст­виями, образующимися в процессе деформирования (скрещение дислокаций, траектории которых пересекаются между собой под неко­торым углом; полосы деформирования и т. д.) или существующими до него (межкристаллические граничные слои, скопление атомов приме­сей, элементы второй фазы и т. д.). Дробление на блоки объемов метал­ла, заключенных между линиями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения и накопление на них продуктов разрушения кристаллической .решетки способствуют увеличению не­ровностей по плоскостям скольжения, а следовательно, и упрочнению.