Напряжения

1.6.6 Напряжения

Неоднородная пластическая деформация при всех видах обработки металлов давлением приводит не только к упрочнению, но и к образованию в поверхностном слое металла значительных по величине остаточных сжимающих напряжений. На основании результатов многочисленных исследований [4], [17], [23], [25] роль упрочнения и остаточных сжимающих напряжений в повышении сопротивляемости усталости может быть признана равноценной.

Эффект повышения усталостной прочности особо значителен при упрочняющей обработке давлением. Предел выносливости для обточенного образца составляет 22,8 кГ/мм, а для обкатанного – 30,2 кГ/мм [24]. Даже при чистовой обработке давлением, осуществляемой с относительно малыми усилиями обкатывания, в поверхностном слое металла, распространяющемся на глубину 0,02-0,03 мм, возникают значительные по величине сжимающие усилия.

В зависимости от условий обработки давлением влияние качества поверхности, особенно физических характеристик (степени и глубины наклепа, напряжений), на эксплуатационные свойства металлов может быть весьма существенным или, наоборот, мало ощутимым. Так, при формообразовании, калибровании, упрочнении, когда степень деформации определяется соответственно необходимостью придания заготовке определенной формы и размеров, требуемой точности размеров, степени упрочнения и достигает больших значений, изменения структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя металла по сравнению с исходными может существенно повлиять на его эксплуатационные свойства. При отделочной же чистовой обработке давлением, осуществляемой с минимальными усилиями, обеспечивающими достижение требуемой степени шероховатости, изменение качества поверхности по сравнению с исходным бывает незначительным.

1.6.7 Прирабатываемость и износостойкость

Основные выводы, характеризующие влияние предварительного упрочнения (наклепа) на износ, могут быть приведены к следующему.

Повышение твердости поверхностных слоев должно:

а) уменьшить износ при механическом и молекулярном взаимодействии трущихся поверхностей ввиду повышения их жесткости и уменьшения взаимного внедрения;

б) способствовать диффузии кислорода воздуха в металл поверхностного слоя и образованию в нем твердых химических соединений;

в) уменьшить износ за счет смятия и истирания в результате повышения устойчивости против разрушения поверхностей при наличии непосредственного их контакта.

Все указанное относится к трущимся поверхностям, предварительно обработанным давлением. Однако, в данном случае влияние на приработку и износ наклепа, возникающего при пластической деформации, сочетается с влиянием особых по форму шероховатостей, остающихся на поверхности после обкатывания роликами. Такие шероховатости образуют микрорельеф, отличающийся (при одинаковой высоте неровностей) от микрорельефа поверхностей, обработанных резанием, о чем уже говорилось ранее.

Основные отличия состоят в том, что при полном сглаживании исходных неровностей (или частичном, когда на поверхности остаются лишь отдельные следы наиболее глубоких впадин), вновь образующиеся в результате обкатывания неровности не имеют заостренных вершин, характерных для неровностей, возникающих при обработке резанием, и опорная плоскость получается значительно большой. Создаются лучшие условия для образования между трущимися поверхностями сплошной масляной пленки. Это не может не сказаться на повышении сопротивления таких поверхностей изнашиванию [9], [14] и оказывает особенно большое влияние на протекание процесса приработки трущихся поверхностей.

Обычно ускоренный начальный износ объясняется повышенной деформацией и истиранием неровностей трущейся поверхности в связи с малой величиной фактической поверхности соприкосновения в начальный период работы пары трения. Пластическое смятие вершин неровностей продолжается до тех пор, пока увеличивающаяся поверхность фактического контакта не станет достаточно большой для несения внешней нагрузки.

Однако, как показали исследования [14], характер и величина начального износа определяются не только высотой исходных неровностей, но, в значительной мере, зависят от степени предварительного наклепа металла поверхностного слоя и его упрочнения в процессе износа.

Таким образом, поверхности, обработанные давлением, для которых характерно не только отсутствие заостренных шероховатостей, уменьшающих фактическую площадь контакта, на и большая опорная плоскость, а также наклеп, создаваемый, в частности, при обкатывании роликами, будут вести себя в период начального износа и прирабатываться иначе, чем поверхности, обработанные резанием [8], [9], [15].

Известно [24], что при оптимальной для данных условий трения шероховатости трущейся поверхности высота исходных неровностей в процессе износа не изменяется (или уменьшается незначительно), а длительность приработки и износ оказываются наименьшими. Поэтому длительность приработки является надежным критерием качества подготовки поверхностей, работающих на износ [24].

Опыты выявили также, что на износостойкость поверхностей, обработанных давлением, существенное влияние оказывают возникающие остаточные напряжения и наклеп. Наиболее благоприятными в этом отношении являются сжимающие окружные остаточные напряжения, достигающие в поверхностных слоях значительных величин.