В последнее время поверхностный слой деталей машин рассматривается на микро- и нано- уровне, изучаются свойства дефектов, природа их образования и миграции, возможность накопления и аннигиляции, положительный и отрицательный характер влияния на контакт двух поверхностей, масштабы и т.д. Таким образом, под поверхностным слоем понимается специфическое кристаллическое твердое тело, обладающее анизотропией физико-механических свойств [5].
Важной особенностью работы контактирующих поверхностей является периодическое возвратно-поступательное движение микровыступов и их раскачивание в основании. Для вращательного движения также характерна периодичность воздействия конкретных микровыступов на одном и том же направлении. Еще нет однозначного ответа на вопрос о том, почему при одинаковом значении высоты микронеровностей (рис. 1), износостойкость поверхностей оказывается различной [3]. Это обстоятельство требует физического обоснования.
Рис. 1. Модели единичных микровыступов поверхности
Взгляд на изучение процессов, происходящих в ходе контактирования деталей, является особенно интересным и многообещающим для объяснения изменений в состоянии материала с позиций синергетической теории. Необходима теория, которая установит связи между технологией изготовления сопрягаемых деталей, и процессами, протекающими в поверхностных слоях на разных масштабных уровнях в ходе контакта двух поверхностей, что в дальнейшем позволит предсказывать характер контакта еще на стадии проектирования машины.
Процессы, протекающие в поверхностных слоях на микроскопическом уровне: искажение кристаллической решетки, появление вакансий, дислокаций и т.д., являются основой, определяющей поведение материалов на нано- уровне в процессе эксплуатации. Появление каждого дефекта влечет за собой соответствующее изменение общего состояния поверхностного слоя, характеризуемого внутренней энергией. Таким образом, в процессе контакта двух поверхностей активируются самоорганизующиеся диссипативные процессы, в результате которых в деформируемом материале, перед разрушением микрослоев, вместо ожидаемого в синергетическом смысле хаоса, наблюдаются высокоупорядоченные структуры, т.е. из системы непрерывно «откачивается» энтропия, образуемая в ходе накопления дефектов, которые в свою очередь формируются в результате механического воздействия. Синергетический подход, предполагает, что процесс формирование материала поверхностного слоя является результатом катаклизмов [4]. В эти периоды, поверхность детали получает энергию из вне и достигает точки бифуркации – неустойчивости.
Влияние механического воздействия на энергию поверхности металлов
В настоящее время поверхностный слой необходимо рассматривать как тело, в состав которого входит большое количество составляющих с запасенным уровнем энергии, в качестве которых могут приниматься атомы и молекулы материала. Так как в ходе воздействия на поверхность тепловое поле кристаллов на микроуровне не является постоянным, в процессе взаимодействия некоторые атомы могут приобрести избыточную энергию, достаточную для самостоятельного преодоления энергетического барьера и перехода в новое устойчивое состояние.
Механическая обработка конструкционных материалов в ходе изготовления деталей вносит существенные изменения в строение и свойства поверхностных слоев [2]. Одна из причин – упругое и пластическое деформирование. При механическом воздействии интенсивно образуются и перемещаются дислокации, возникают новые структуры, связанные с измельчением и ориентацией зерен в направлении действия сил, изменяется напряженное состояние поверхностного слоя детали.
От межатомного расстояния зависят физические свойства кристаллов: прочность, электропроводность и др. Реальные же кристаллы, вследствие механического воздействия, имеют различные свойства в разных направлениях.
С наличием высокой плотности дефектов строения неизбежно связана высокая плотность внутренней энергии системы. Незначительные возмущающие воздействия могут привести к переходу системы в новое энергетическое и структурное состояние. Примерами служат мартенситные превращения и рекристаллизация при трении, самопроизвольное диспергирование в поверхностно-активных средах.
Пластическое деформирование сопровождается тепловыделением, рост локальных температур ускоряет окислительные процессы, чему содействует технологическая среда. Формирование слоя происходит от одной операции к другой, с переносом свойств в наследственном плане.
Механическая обработка формирует физико-механические свойства поверхностных слоев деталей [2]. Вследствие пластической деформации поверхностного слоя, а также влияния окружающей среды, в поверхностном слое отмечается понижение плотности и возникновение остаточных деформаций, повышение плотности дислокаций, образование текстуры, появление трещин внутри зерен и фрагментация, увеличение температуры, вследствие чего усиливаются диффузионные процессы.
Так же, вследствие механической обработки, в поверхностных слоях возникают макро- и микронапряжения. Величина и знак (сжатие или растяжение) макронапряжения зависит от методов и режимов обработки, применяемых технологических сред, качества инструмента, а также от предварительной обработки. Точение обычно вызывает появление остаточных растягивающих напряжений в слоях толщиной 50-200 мкм. Как правило, к появлению растягивающих остаточных напряжений приводит шлифование. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения.
В процессе обработки металлов, которые могут претерпевать структурные превращения, при увеличении интенсивности воздействия (увеличение скорости резания) возрастание тепла может вызвать закалку поверхности обрабатываемой детали, что объясняется увеличением микротвердости поверхностного слоя. Однако в данном случае упрочнение связано не с увеличением количества дефектов в металле, а с его структурными изменениями, что так же приводит к увеличению объёма металла.
В самом общем и условном виде влияния механической обработки на физическую структуру поверхностных слоев можно представить на основе рис. 2. При этом возможно использовать энергетическое состояние поверхностного слоя. Примерно 75% всей энергии, затрачиваемой на образование поверхности трения, связанно с теплом. Оно уходит в различных направлениях, которые в настоящее время определены четко. Условно можно считать, что данные тепловые потоки не влияют на физическую сущность слоя. Энергия поверхностного слоя составляет примерно 25% общей энергии. Она условно может быть распределена на большое количество составляющих. Величины этих составляющих оказываются не только разными, но и изменяющимися в каждый момент времени в соответствии с особенностями воздействия технологической среды. Суммарное значение этой части энергетики поверхностного слоя также постоянно изменяется, но колеблется вокруг значения 25% [3].
Среди различных составляющих стоит отметить такую составляющую как «часть тепла процесса обработки». Это тепло, которое непосредственно влияет на качество поверхностного слоя в составе, например, искажения кристаллической решетки, движения вакансий и пр. Кроме непосредственного влияния указанных и прочих составляющих на качество поверхностного слоя возможно и совместное их действие, то есть действие при взаимном влиянии. Однако такая задача в научном плане не только не решается, но даже и не ставилась из-за своих теоретической и практической сложностей.
Рис.2. Энергетические затраты на деформирование металла поверхностного слоя в процессе механической обработки
Для процесса обработки пластичных материалов характерно увеличение количества тепла в зоне резания, которое связано с ростом скорости резания. Следовательно, увеличивается объем поверхностного слоя, подвергнувшегося изменениям, а также и увеличивается объем энергии поверхностного слоя. При точении же закаленных металлов – увеличение нагрева поверхностного слоя, так же связанное с ростом скорости резания, может вызывать отпуск, что приведет к уменьшению степени искажения кристаллической решетки, вакансий, и т.д. И, следовательно, уменьшится энергия поверхностного слоя.
Процесс изменения состояния поверхности детали можно представить в следующем виде на рис. 3. Где n – некоторый параметр состояния слоя, который оказывает влияние на появление своего уровня энергии Е.
Рис. 3. Энергетическая диаграмма системы
За исходное состояние поверхности принимается энергетический уровень равный нулю. В ходе технологического воздействия энергия поверхностного слоя, или его отдельные зоны, возрастает до определенного состояния – бифуркации, а затем снижается до состояния E1, что характеризуется как энергия, которая была сохранена в поверхностном слое детали. Можно предположить, что данное состояние характерно как для всей поверхности изготовляемых сопрягаемых деталей, так и для отдельного микровыступа. В дальнейшем представляется логичным оперировать значением E1 и не только определенной кристаллической решетки, но и поверхности.
Можно предвидеть трудности предполагаемых исследований. Они, прежде всего, объясняются тем, что в любой момент времени при осуществлении предполагаемого технологического процесса энергия обрабатываемой заготовки должна постоянно изменяется. В любой момент времени поверхностный слой заготовки концентрирует в себе наследственные свойства и особенности технологической среды, характеризуемой интенсивностью воздействия инструмента.
Заключение
Процесс механического воздействия на поверхность металла, характеризуемый изменением режимов резания и условий обработки, которые изменяют температуру обрабатываемой поверхности, оказывает влияние на энергетическое состояние поверхностного слоя.
Таким образом, рассматривая поверхностный слой на макро- и нано- уровне, необходимо отметить, что в ходе реализации технологического процесса происходят накопления повреждений в материале [1], и его степень повышается:
- с увеличением плотности дислокаций, а следовательно и искажением кристаллической решетки;
- измельчение кристаллических блоков приводит к увеличению границ зерна, а следовательно, и запасенной в нем энергии;
- при формировании напряженного состояния поверхностного слоя на микроскопическом уровне, т.е. формирование искажения кристаллической решетки и таким образом величины энергии металла поверхностного слоя.
При этом совершаемая механическая работа деформирования единицы объема будет равна увеличению энергетического потенциала системы при появлении единичного деформирования в единице объема. А поскольку повреждения при пластическом деформировании накапливаются в объеме, то повышение внутренней энергии системы, обусловленное упругими искажениями кристаллической решетки, будет пропорционально увеличению их плотности. То есть необходимо определить степень влияния технологического воздействия на энергетическое состояния поверхностных слоев, а также влияние последнего на характер контакта сопрягаемых деталей.
Рецензенты:
Астахов М.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладной механики», Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Калуга;
Шаталов В.К., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технологий обработки материалов», Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Калуга.