7.2.      Упрочнение поверхностного слоя

Металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение и состоят из боль­шого числа беспорядочно ориентированных и разных по размерам кристаллических зерен, которые, врастая друг в друга, образуют прочное механическое соедине­ние. Поэтому поверхность поликристаллического металла представляет скопление связанных переходным слоем кристаллов и их обломков с различной ориентацией.

При обработке деталей под действием сил резания в поверхностном слое металла происходит его упруго-пластическое деформирование.

Пластическая деформация распространяется на определенную глубину металла, расположенного под обработанной поверхностью, и сопровождается скольжением, т.е. перемещением отдельных частей кристаллов по определенным кристаллографическим плоскостям.

При пластической деформации происходит возникновение и концентрация дислокации (нарушение в отдель­ных местах правильного строения кристаллической решет­ки) около линий сдвигов. Поскольку дислокации окружены полями упругих напряжений, для последующих деформаций потребуется значительно большее усилие, чем в недеформированном металле. Это связано с необходимостью преодоления сопротивления полей напряжений. Следовательно, при резании пластическая деформация вызывает наклеп поверхности, за счет чего последняя упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность.

Повышение прочности и твердости пластически деформированного при обработке резанием металла по сравнению с его исходным состоянием рассматривают как упрочнение поверхностного слоя или наклеп.

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяются следующими факторами:

1) степенью наклепа

,

где Hн – микротвердость наклепанного слоя; Ни – микротвердость исходного материала;

2) глубиной наклепа;

3) величиной, глубиной и знаком остаточных напряжений.

В результате трения происходит деформация тонкого поверхностного слоя детали. С износом инструмента площадка контакта на его задней поверхности увеличивается, что приводит к повышению трения и деформации поверхностного слоя. Таким образом, поверхностный слой детали подвергается дополнительной деформации со стороны задней поверхности инструмента за счет сдавливания и трения.

В результате наклепа зерна металла измельчаются, и он становится более прочным и твердым. Если при этом не происходит разрушение материала поверхностного слоя, наклеп может оказывать положительное влияние. Возможно также и разрушение кристаллической решетки, появляются задиры и обрывы на обработанной детали, уменьшается предел усталостной прочности, следовательно, деталь может преждевременно разрушиться.

Наклеп, полученный при черновой обработке, может оказывать отрицательное влияние на процесс резания при чистовой обработке, так как инструмент будет работать по наклепанному слою.



Кроме того, наклепанный слой, полученный при черновой обработке, вызывает увеличение коробления стальных деталей при их закалке.

В среднем можно считать, что вследствие наклепа твердость поверхностного слоя в сравнении с первоначальной повышается:

· у алюминия – на 90 – 100 %;

· у латуни – на 60 – 70 %;

· у мягкой конструкционной и аустенитной сталей – на 40 – 50 %;

· у твердой конструкционной стали – на 20 – 30 %.

При доводке большое влияние на степень наклепа оказывает значение радиуса округления зерна абразива. Например, при доводочных операциях стали 45 степень наклепа в зависимости от абразива повышается от 5 до 45 %. Наименьшая степень наклепа получается при доводке алмазными зернами (ρ = 0,9 мкм), а наибольшая – при доводке зернами титанистого электрокорунда (ρ = 1,14 мкм).

При обычных условиях обработки конструкционной стали средней твердости глубина наклепанного слоя в среднем составляет (в миллиметрах):

· при черновой обработке резцом – 0,4 – 0,5;

· при чистовой                     0,07 – 0,08;

· при шлифовании               0,04 – 0,06;

· при полировании                          0,02 – 0,04;

· при доводке                       0,015 – 0,020.

Труднообрабатываемые материалы (жаропрочные, нержавеющие и др.) обладают высокой пластичностью и поэтому при их обработке явление наклепа проявляется в большей мере, чем при обработке конструкционных углеродистых сталей. При неравномерном протекании процесса пластического деформирования высокая упрочняемость обрабатываемого материала может привести к усилению вибраций. Поэтому при обработке подобных материалов необходимо, чтобы система СПИД обладала высокой жесткостью.

На степень и глубину наклепа, а также на величину пластической деформации оказывают влияние:

1) свойства обрабатываемого материала – чем мягче и пластичнее тем выше ;

2) параметры режима резания – с увеличением скорости резания степень и глубина наклепа уменьшаются. Подача влияет на интенсивность образования наклепа в большей мере, чем глубина резания;

3)  геометрия инструмента – чем больше угол резания и радиус округления режущей кромки, тем больше ;

4) износ инструмента – с увеличением радиуса округления лезвия повышается пластическая деформация. При работе тупым инструментом глубина наклепа увеличивается вдвое и более;

5) СОТС – уменьшают наклеп.

Термическая обработка – отжиг и нормализация снимают наклеп.