Физико-химическое состояние поверхностного слоя

Как показано в параграфе 5.1, поверхностный слой детали представляет собой очень сложную структуру, значительно отличающуюся от основного материала. Весь этот комплекс новых свойств, приобретенных материалом в результате технологического воздействия, называют физико-химическим состоянием.

На сегодняшний день число параметров, характеризующих физико-химическое состояние, насчитывает несколько десятков и требует длительных и дорогостоящих исследований с применением электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, оже-спектроскопии, акустической эмиссии и ряда других методов.

В данном параграфе мы коснемся лишь некоторых из них, но и это ограниченное число примеров убедительно подчеркнет глубину и неисчерпаемость рассматриваемой проблемы.

Вначале рассмотрим так называемые физико-механические свойства поверхностного слоя, к которым относят деформационное упрочнение и остаточные напряжения.

Силовые и температурные воздействия на поверхность детали при изготовлении и эксплуатации приводят к изменению физико-механических свойств материала поверхностного слоя. Причиной подобного изменения, прежде всего, являются структурные изменения в кристаллической решетке конструкционного материала, что связано с возрастанием количества дислокаций, вакансий и других дефектов решетки. Зерна материала, находящиеся непосредственно у поверхности, измельчаются и вытягиваются в направлении вектора главного движения обработки, что приводит к образованию текстуры, характерной для каждого технологического метода или режима эксплуатации.

Кроме силового фактора, в процессе обработки существенное значение на формирование физико-механических свойств поверхностного слоя оказывает действующая температура и скорость деформации материала.

В зависимости от условий протекания механического воздействия на поверхностный слой в процессе обработки может произойти изменение его фазового и химического состава.

Одновременное сочетание перечисленных факторов может значительно изменить физико-механические свойства металла поверхностного слоя деталей, что приводит к серьезным затруднениям при прогнозировании их долговечности и надежности, так как пользоваться традиционными справочными данными по значению предела текучести и твердости не представляется возможным.

При реализации большинства технологических методов обработки протекают два процесса: деформационное упрочнение и разупрочнение, происходящие вследствие действия высоких температур в зоне обработки. Окончательное формирование физико-механических свойств поверхностного слоя определяется соотношением интенсивности этих процессов.

Основными характеристиками, которые используют для практических инженерных расчетов, в настоящее время являются деформационное упрочнение и остаточные напряжения. Деформационное упрочнение, или наклеп, изменяет свойства металла поверхностного слоя следующим образом: повышается его твердость и хрупкость (за счет уменьшения ударной вязкости), внутреннее трение и уменьшается плотность.

Для оценки упрочнения, как правило, используют параметры — степень U_n, глубина А_н и градиент /7_ф наклепа: где #_м — максимальная поверхностная микротвердость; Н — исходная микротвердость материала.

Остаточные напряжения в той или иной степени существуют и уравновешиваются внутри материала поверхностного слоя после прекращения действия силовых, температурных и скоростных факторов технологических методов.

Основными причинами возникновения остаточных напряжений считается неоднородное распределение деформации по объему детали.

В настоящее время наиболее жизнеспособной показала себя следующая классификация технологических остаточных напряжений:

• • напряжения I рода (макронапряжеиия) распространяются в макрообъемах, соизмеримых с размерами деталей;
• • напряжения II рода (микронапряжения) наблюдаются в микрообъемах (отдельных зернах, блоках и их группах);
• • напряжения III рода локализуются в нанообъемах вплоть до размеров, соизмеримых с межатомными расстояниями.

Для задач машиностроения практическое использование получили напряжения I рода, которые в определенной степени при их экспериментальном определении косвенно отражают как микро-, так и нанонапряжения.

На рис. 5.6 показаны типовые эпюры технологических остаточных напряжений I рода.

Подавляющее большинство финишных методов обработки формируют сжимающие технологические остаточные макронапряжеиия непосредственно у поверхности, которые можно объяснить следующими основными причинами:

• увеличением фактического напряжения текучести с возрастанием скорости деформации;

Рис. 5.6. Типовые эпюры технологических остаточных напряжений:

а — после обработки с преобладающим воздействием силового фактора; б — с преобладающим воздействием температурного фактора.

• большей скоростью деформационного фронта по сравнению с фронтом температурным, что предполагает опережающее формирование дислокационной картины перед релаксационным процессом.

Степень влияния скорости деформации на напряжение текучести в зависимости от действующей температуры можно оценить по табл. 5.2, показывающей значение коэффициента i в формуле.

где ct_v — фактическое напряжение текучести; с₁₍ — напряжение текучести при стандартных испытаниях на растяжение или сжатие.

Таблица 5.2

Значение коэффициента V|/

В табл. 5.2 ё/е₀ — отношение скорости деформации действующего процесса к скорости деформации при стандартных испытаниях, ё_ДИ|, и t_wl соответственно температура деформации в процессе обработки и температура плавления материала.

Как показала практика многочисленных экспериментальных исследований различных научных школ по холодной и горячей обработке материалов, наиболее адекватную оценку физико-механических свойств поверхностных слоев делают коэффициенты в двух последних строках табл. 5.2.

Реальные значения физико-механических параметров поверхностного слоя зависят от большого числа факторов: метода обработки, режимов, наличия СОТС, их химического состава, обрабатываемого и инструментального материала, его геометрии, жесткости технологической системы, степени проявления технологической наследственности, масштабного фактора и ряда других причин.

Структура, фазовый и химический состав, экзоэлектронная эмиссия относятся к физико-химическим параметрам состояния поверхностного слоя.

Из структурных параметров для практических инженерных задач наибольшее распространение получили размер зерна п плотность дислокаций. Важность такого параметра, как размер зерна d подтверждается известным выражением Холла — Петча:

где ct_s — фактическое напряжение текучести материала; с — константа для конкретной марки материала.

Приняв в расчет коэффициент vp из табл. 5.2, получим.

Таким образом, фактическое значение напряжения текучести будет определено с учетом размера зерна, температуры и скорости деформации в процессе обработки технологической поверхности.

Что касается плотности дислокаций, то этот параметр особенно важен при прогнозировании долговечности поверхностей, работающих в условиях усталостного износа и циклических нагружений в период эксплуатации. Это связано с тем, что в этих условиях под действием нагрузок и тепловых полей происходит постоянное увеличение плотности дислокаций в зернах поверхностного слоя и повышается вероятность возникновения усталостных трещин.

В свою очередь, вероятность зарождения усталостных трещин связана с плотностью подвижных дислокаций, достигающих какого-либо барьера (чаще — границы зерна). Количество подвижных дислокаций р' связано с общим числом дислокаций р и размером зерна d соотношением, предложенным В. В. Левитиным:

Эта зависимость подтверждает факт обратной пропорциональной зависимости плотности дислокаций от размера зерна металла поверхностного слоя.

Критическую плотность дислокаций р_1ф, превышение которой ведет к разрушению поверхности, с достаточной для практических задач точностью можно рассчитать по уравнению.

где k_p — коэффициент, равный 0,5—0,7; а_в — предел прочности; G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса.

Изменение фазового состава металла поверхностного слоя происходит под действием высоких температур в процессе технологического воздействия.

Так, по данным А. А. Маталина, интенсивный поверхностный нагрев закаленной стали может привести к распаду остаточного аустенита, переходу тетрагонального мартенсита в мартенсит кубический или даже к образованию ферритно-карбидной смеси (троостит + сорбит).

Кроме того, сильный нагрев при обработке может вызвать отпуск и местную вторичную закалку из-за быстрого отвода тепла в глубину материала или под действием СОТС.

Различные фазовые превращения металла поверхностного слоя происходят в определенных глубинах, температура которых соответствует определенным трансформациям фазового состава.

Так, при отпуске до 400—500°С образуется структура троостита, при отпуске до 500—600°С — структура сорбита, а при отпуске до 600—700°С — структура перлита. Фазовые превращения неизбежно приводят к структурным изменениям, что часто оправдывает объединение этих факторов под термином «структурно-фазовые превращения».

После лезвийной или абразивной обработки поверхностный слой детали может изменить свой химический состав.

Некоторыми авторами подобные изменения называются массопереносом. Исследования А. М. Сулимы показали, что причинами этого явления могут быть следующие: адсорбция элементов режущего инструмента в поверхность в процессе обработки; высокие температурные градиенты в зоне обработки; различие в коэффициентах диффузии элементов конструкционных материалов; адгезия микрочастиц материала на режущий инструмент и «размазывание» его по обрабатываемой поверхности; «микрометаллургические» эффекты, протекающие в процессе массопереноса; адсорбция элементов, входящих в состав СОТС.

Из всех перечисленных причин наиболее существенное влияние на изменение химического состава поверхностных слоев оказывают диффузионные процессы.

В настоящее время существуют в основном две физические модели диффузии твердых тел: гетеродиффузия и реактивная диффузия. Первый вид характеризуется образованием твердого раствора с решеткой растворителя. Максимальная концентрация диффундирующего вещества в металле, играющем роль растворителя, не может превышать предельную концентрацию согласно диаграмме состояния. По второй модели химическая реакция может произойти с образованием интерметаллического соединения на границе раздела контактирующих тел. Известно, что диффузия молекулы химического соединения в решетку металла невозможна. В металле диффундируют атомы, получившиеся в результате диссоциации этих соединений. Поэтому при диффузионном растворении инструментального материала в обрабатываемом необходимо рассматривать диффузию входящих в сплав химических элементов.

Количество вещества dM компонента В, выраженное в молях массы вещества, проникшее в компонент Л, определяется уравнением:

где D — коэффициент диффузии; dc/dx — градиент концентрации в какой-либо точке; dS — элементарная площадь, через которую происходит диффузия; dt — время диффузии.

Важнейшим параметром, характеризующим диффузию, является коэффициент диффузии Д который определяется из соотношения:

где А) ^— предэкспоненциальный множитель, который соответствует коэффициенту диффузии при температуре, равной бесконечности; Q — энергия активации, отнесенная к молю твердого раствора; R — газовая постоянная, равная 8,314 ДжДмоль — К); 0 — температура диффузии, К.

Из теории диффузии известно, что энергия активации уменьшается с увеличением разности порядковых номеров диффундирующего вещества и растворителя в периодической системе элементов. Это объясняется более интенсивным искажением силовых полей при резком отличии природы растворенного элемента от природы растворителя, что и облегчает процесс диффузии.

Вторым фактором, определяющим коэффициент диффузии, является температура, которая при заданных конструкционных материалах целиком определяется условиями технологического воздействия на обрабатываемую поверхность. Как видно из формулы, с увеличением температуры коэффициент диффузии увеличивается по экспоненциальной зависимости.

Что касается количественной оценки промежутков времени ?_д, необходимых для реализации микродиффузионных процессов, то для прикладных расчетов Н. М. Любарским предложена следующая зависимость:

где Ь_л — протяженность пути диффузии.

Анализ этого соотношения позволяет убедиться, что для диффундирования вещества на глубину от нескольких сотен до нескольких тысяч ангстрем требуются весьма малые временные промежутки — от 10 ⁴ с и менее. Это свидетельствует о том, что даже при высокоскоростных технологических процессах время диффузии может быть соизмеримо со временем контакта инструмента с элементарной площадкой поверхности заготовки.

Приведенные физические аспекты убедительно доказывают неизбежность изменения химического состава поверхностного слоя в результате технологического воздействия.

В последней трети XX в. рядом исследователей для комплексной оценки физико-химического состояния поверхностного слоя успешно применялся метод экзоэлектронной эмиссии.

Термином «экзоэлектронная эмиссия» (ЭЭЭ) определяют явление нестационарной электронной эмиссии с поверхности твердого тела, находящейся в возбужденном состоянии, при внешнем тепловом или световом стимулирующем воздействии с энергией ниже порога возникновения стационарных эмиссионных эффектов. К настоящему времени считается доказанным факт взаимосвязи эмиссионных параметров с дефектностью материалов. Технологические методы воздействия на поверхность, сопровождающиеся деформационными и тепловыми явлениями, вызывают сложные физико-химические процессы, приводящие к нарушению равновесия в электронной системе материалов. Несмотря на различие физической природы трансформаций, происходящих в поверхностном слое в результате внешних воздействий, эмиссионная реакция сводится к снижению энергетического порога. Установлено также, что метод ЭЭЭ малочувствителен к типу поверхностного дефекта, а служит лишь его индикатором. Поэтому использование его для контроля состояния поверхностного слоя должно сопровождаться исследованиями взаимосвязи параметров ЭЭЭ с закономерностями процесса дефектообразования в поверхностном слое. Широкое практическое использование метода, по мнению В. С. Кортова, обусловливается рядом особенностей:

• • отсутствием ограничений, связанных с природой, структурой и свойствами материалов;
• • возможностью получения информации как в интегральной форме со всей контролируемой поверхности, так и локально, с отдельных ее участков;
• • высокой чувствительностью к поверхностным дефектам, что позволяет его использовать в процессе динамических испытаний;
• • измерения могут проводиться в разнообразной атмосфере, широком температурном интервале, после различных внешних энергетических воздействий на поверхность.

Как известно, реальная поверхность твердого тела всегда покрыта слоями адсорбатов, пленкой оксида, что приводит к видоизменению энергетического спектра существующих электронных состояний. Вследствие неоднородности структуры поверхность является источником генерирования дислокаций, что неизбежно сказывается на ее механических свойствах. Многие исследователи связывают это явление с наличием границ зерен и двойников, оксидных пленок, трещин и т. д.

В прикладных технических задачах в основном различают два вида ЭЭЭ:

• 1) фотостимулированная электронная эмиссия (ФСЭЭ) — эмиссия, регистрируемая в процессе освещения при постоянной температуре;
• 2) термостимулированная электронная эмиссия (ТСЭЭ) — эмиссия, регистрируемая при нагревании контролируемого объекта.

Для исключения высокоэнергетического воздействия на поверхность в процессе измерений используют ультрафиолетовый зонд видимого излучения. Фотостимуляция приводит к делокализации электронов с ловушек, созданных дефектами поверхностного слоя материала. Свет с энергией кванта hv > 2Г_0ПТ, где Е_от — энергия оптической ионизации центра захвата, вызывает либо ионизацию центра с опустошением ловушки, либо возбуждение электрона. Несмотря на то, что в металлах имеется достаточное количество свободных электронов, для возникновения ЭЭЭ необходимы возбуждения и стимуляция. Для большинства металлов и сплавов работа выхода электрона составляет 4—5 ЭВ, вследствие чего ЭЭЭ металлов должна возникать в случае, если возбуждение и стимуляция снижают поверхностный потенциальный барьер. В тонких оксидных слоях на поверхности металлов имеются структурные дефекты, которые, как правило, являются центрами локализации электронов. Эти ловушки могут захватить электроны, попавшие из подложки в зону проводимости оксида. Однако в условиях фотостимуляции они сразу же опустошаются в соответствии с механизмом ФСЭЭ.