Презентация-ФХОТПвМ (Тема3-качПоверхн)-17

машин. 1. Ресурс и надёжность работы деталей машин. 2. Качество поверхности и

эксплуатационные свойства деталей машин. Характеристики структурного и фазового состава качества поверхности деталей. 3. Геометрические характеристики качества поверхности деталей. 4. Нанесение регулярного микрорельефа (РМР) способом вибрационного накатывания. 5. Исследование шероховатости поверхности до и после нанесение регулярного микрорельефа (РМР) с разной величиной амплитуды синусоиды. 6. Схемы вибронакатывания РМР и их связь с эксплуатационными свойствами деталей. 7. Нанесение регулярного микрорельефа (РМР) с целью повышения износостойкости трибоузлов. 8. Основные технологические приемы обеспечения заданных параметров поверхностного слоя деталей машин .

– надежность – понятие, обеспечивающее такие свойства конструкции, как безотказность,

ремонтоспособность, сохраняемость и долговечность, то есть способность к эксплуатации в заданный срок службы (ресурс).
- Главным элементом повышения надежности, например, гребных валов, является статистический сбор информации о фактических условиях эксплуатации.
- Далее, на основе анализа наблюдающихся неисправностей, определения эксплуатационных свойств материала, оценки характера разрушения – проведение уточняющих расчетов на прочность.
- Завершающим этапом, обосновывающим увеличение ресурса гребных валов, прежде чем это найдет отражение в технических условиях, является проведение стендовых ускоренных – эквивалентных испытаний на малоцикловую долговечность в морской воде, моделирующих условия эксплуатации.
Работоспособность – мера надежности материала для устойчивой работы конструкции при заданных параметрах температуры, времени, величине и скорости нагружения.

которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного материала,

из которого сделана деталь.
В процессе изготовления деталей машин на их поверхностях возникают неровности, изменяется структура, фазовый и химический состав, возникают остаточные напряжения.
Качество поверхности деталей машин определяется совокупностью характеристик:
- Геометрией поверхности – шероховатость, волнистость
(профилометры);
- Микроструктурой поверхностного слоя (оптические и электронные
микроскопы);
- Фазовым составом (рентгеноструктурные анализаторы);
- Химическими свойствами (спектральные анализаторы);
- Физико-механическими свойствами (измерение микротвёрдости);
- Остаточными напряжениями (рентгеновские приборы).

3.2. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин

В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны:
1- зона адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ. (например, воды, СОЖ, растворителей, промывочных жидкостей), ее толщина 0,001…0.1 мкм.
2- зона продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой ( обычно оксидов), толщиной 0,001…1 мкм.
3- граничная зона толщиной несколько межатомных расстояний, имеющая иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуры.
4- зона с измененными по сравнению с основным металлом структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации, толщиной 10…100 мкм.
5- исходное состояние материала.

отделочно-упрочняющей обработки деталей машин
Все известные методы упрочнения подразделяются на 6

основных классов:
упрочнение с образованием пленки на поверхности;
с изменением химического состава поверхностного слоя;
с изменением структуры поверхностного слоя;
с изменением энергетического запаса поверхностного слоя;
с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом;
с изменением структуры по всему объему материала.
3.2.1 Упрочнение с созданием пленки на поверхности
а) осаждение химической реакции (оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы).
б) осаждение из паров (термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение).
в) электролитическое осаждение (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование).
г) напыление износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов).
3.2.2 Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла
а) диффузионное насыщение (борирование, цианирование, азотирование, нитроцементация и т.п.)
б) химическое и физико-химическое воздействие (химическая обработка, ионная имплантация, электроискровая обработка и т.д.).

с изменением структуры поверхностного слоя
а) физико-термическая обработка (лазерная закалка, плазменная

закалка);
б) электрофизическая обработка (электроконтактная, электроэрозионная, магнитная обработка);
в) механическая (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая);
г) наплавка легированным элементом (газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов и т.д.).
3.2.4 Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя
а) обработка в магнитном поле (термомагнитная обработка, импульсным магнитным полем, магнитным полем);
б) обработка в электрическом поле.
3.2.5 Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом
а) обработка резанием (точение, шлифование, сверхскоростное резание);
б) пластическое деформирование (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т.д.);
в) комбинированные методы (анодно-механическая, поверхностное легирование с выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых колебаний, магнитно-абразивная обработка и т.д.).
3.2.6 Упрочнение с изменением структуры всего объема металла
а) термообработка при положительных температурах (закалка, отпуск, улучшение, закалка ТВЧ, нормализация, термомагнитная обработка);
б) криогенная обработка (закалка с обработкой холодом, термоциклирование).

явление местного увеличения внутренних напряжений по сравнению с уровнем приложенного

номинального в зонах резкого изменения размеров и очертаний детали.
Введем коэффициент концентрации напряжения ()

Для центральной
эллиптической трещины
 = 1 + 2

готовых конструкциях всегда присутствуют концентраторы напряжений.
Это может быть трещина,

твердая вторая фаза, слабо связанная с матрицей – оксид, сульфит, графит в чугунах, или не заварившаяся при прокатке пора или усадочная раковина, наконец конструктивный надрез при механической обработке. При изготовлении деталей машин, в отдельных его местах меняется сечение (например, в месте ступенчатого перехода, в канавке, в резьбе, у кромки отверстия, у шпоночного паза). Все это приводит к формированию в поверхностных и осевых слоях деталей машин концентраторов напряжений.

Подсчет напряжений, действующих в деталях натурных размеров (коленчатых валов, болтов, сварных элементов, осей вагонов и локомотивов и др.) производят по обычным формулам сопротивления материалов для различных случаев испытания (см. табл. ). Напряжения, подсчитанные по этим формулам, называются номинальными.

В целом, максимальные напряжения в вершине концентратора (max) выражается формулой:
max =

где Sn – поверхностная энергия; 2 ℓ – длина концентратора; Е – модуль нормальной упругости.

Для центральной
эллиптической трещины
 = 1 + 2

.

Для случая сферической
трещины  = 2
Для случая цилиндрической
трещины  = 3

прочности деталей желательно максимальное смягчение формы надреза. Возможно нанесение дополнительных

разгружающих надрезов, которые могут увеличивать или уменьшать концентрацию напряжений, в зависимости от формы тела, расположения надрезов и способа нагружения.
Геометрические параметры неровностей поверхности оцениваются параметрами шероховатости, волнистости, регулярных микрорельефов.
Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Примерное отношение высоты неровностей к шагу менее 50.
при S/ Н « 0…50 – называется субмикрогеометрическое отклонение формы поверхности.

Волнистость поверхности - это совокупность неровностей, имеющих шаг больший, чем базовая длина, используемая для измерения шероховатости. Отношение высоты к шагу более 50 и менее 1000.
при S/Н = 50…1000 – называется микрогеометрическое отклонение формы поверхности.
Волнистость в России не стандартизирована, то для ее оценки используют параметры шероховатости.

Регулярные микрорельефы – это неровности, которые в отличие от шероховатости и волнистости, одинаковы по форме, размерам и взаиморасположению.
при S/Н  1000 – макрогеометрическое отклонение формы поверхности;
Регулярный микрорельеф получают обработкой резанием или поверхностным пластическим деформированием роликами, шариками, алмазами.

состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки

обрабатываемой заготовки

Основные характеристики микрогеометрии поверхностей регламентированы действующим в России ГОСТом

2789-73.
Установленные этим стандартом характеристики шероховатостей иллюстрирует рис.
Основные из них: высотные - Ra, Rz и Rmax и шаг микронеровностей -

m.

а – характеристики шероховатостей

б – опорная кривая

Ra – среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля
шероховатостей от средней линии в пределах базовой длины L:

Абота

к токарному станку с осцилляционным движением:
1 — станок; 2

— заготовка;
3 — виброголовка.

нанесения регулярных микрорельефов (РМР) различных видов:
/

— канавки не касаются друг друга (частично регулярный микрорельеф);
// — канавки касаются, друг друга;
/// — канавки пересекаются;
IV — исходная поверхность полностью перекрыта канавками — создан полностью новый регулярный микрорельеф

(РМР) с разной величиной амплитуды синусоиды.

РМР-II-2;

РМР-II-3
отличались величиной амплитуды синусоиды, которая
была равна 0,88; 0,65; 0,10 мм, соответственно.

мм

0,65 мм

0,10 мм

из рис., в поверхностном слое детали, имеющем волнообразную шероховатость с

амплитудой R, периодом S, и их отношением R/S, происходит перераспределение внутренних напряжений: выступы оказываются недогруженными, а впадины перегруженными.

Локальное напряжение, 0i, действующее в выступе, связано следующим соотношением с "макроскопическим напряжением" 0, действующим в толще детали:
0i (недогр.) = 0  (1 – R / S  sin  S)  cos2 (1)
В любой точке поверхности во впадине, которые являются концентраторами напряжения, вероятно, должно выполняться соотношение: 0i (перегр.) = 0  2 (R / r)1/2 = 0  К (2)
где К – коэффициент концентрации напряжений в вершинах неровностей во впадинах размером R и радиусом закругления r.

разной величиной амплитуды синусоиды
Обработки РМР-II-1; РМР-II-2; РМР-II-3 отличались величиной амплитуды

синусоиды,
которая была равна 0,88; 0,65 и 0,10 мм, соответственно.

разной величиной амплитуды синусоиды
Концентрация напряжений во впадинах в исходном состоянии

(1) и после различных видов нанесенного РМР.
РМР-II-1 (2); РМР-II-2 (3); РМР-II-(4) с величиной амплитуды синусоиды, которая была равна 0,88; 0,65 и 0,10 мм, соответственно.

K = 2(Rz/r)1/2

Rz – шероховатость, мкм
r – радиус закругления
неровностей при впадинах, мкм
K – коэффициент концентрации
напряжений в вершинах
неровностей при впадинах

Абота

разной величиной амплитуды синусоиды
Обработки РМР-II-1; РМР-II-2; РМР-II-3 отличались величиной амплитуды

синусоиды,
которая была равна 0,88; 0,65 и 0,10 мм, соответственно.

деталей

деталей
4) Износ
5) Износ

оценки коэффициента трения до и после нанесения регулярного микрорельефа типа

I

Рm = 0,2 МПа

Рm = 0,3 МПа

Зависимость коэффициента трения от числа Герси G в трибопаре карбон – карбид кремния

РМР типа I

Прямое

типа I и типа II
Рm = 0,2 МПа
Рm =

0,3 МПа

Рm = 0,4 МПа

Рm = 0,5 МПа

тип I

Тип I

тип I

тип I

Тип II

Тип II

Тип II

Тип II

В случае совпадения ориентации микрорельефа с направлением движения образца (РМР

тип I), коэффициент трения оказывается почти в 2 раза меньше по сравнению со случаем противоположной ориентации микрорельефа по направлению движения образца (РМР тип II).
2. В диапазоне чисел Герси G = 0,75…1,0 и при контурном давлении Pm = 0,3…0,35 достигается минимальный коэффициент трения f = 0,05…0,1
3. Коэффициент трения уменьшается с увеличением контурного давления Pm

машин.
В машиностроении используют различные технологические методы обеспечения заданных параметров поверхностного

слоя деталей с учетом заданных условий их эксплуатации: рабочих нагрузок, температуры нагрева, окружающей среды и продолжительности физико-химического воздействия.
Упрочнение поверхностным деформиованием, обеспечивающее получение в поверхностном слое структур с повышенным содержанием дефектов, широко используется для повышения сопротивления усталости как деталей без концентраторов напряжений, так и деталей с концентраторами напряжений, работающих при умеренных температурах нагрева (до температур возврата).
Химико-термические и термические поверхностно-упрочняющие методы обработки (поверхностная закалка, цементация, азотирование, алитирование, борирование) позволяют резко изменить физико-химичексое состояние поверхностного слоя деталей и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость и др.). Применение этих методов является не только эффективным, но в ряде случаев единственно возможным способом обеспечения заданного ресурса и надежности работы деталей.
Жаропрочность, износостойкость и сопротивление коррозии могут быть существенно повышены при нанесении на рабочую поверхность детали металлических и неметаллических покрытий. Высокая теплостойкость детали обеспечивается плазменным напылением (соединение двух материалов происходит в результате механического сцепления и диффузии при температуре, равной нескольким тысячам градусов).
Практическое применение получили также наплавление, лазерная обработка, ионное легирование и т.д. Некоторые из этих технологических процессов одновременно повышают сопротивление усталости, сопротивление коррозии и другие эксплуатационные свойства поверхностного слоя детали.

машин.
Упрочнение наклепом – является эффективным способом упрочнения поверхности деталей на

глубину до 0,7 и 15 мм с помощью дробеструйной и роликовой обработок, соответственно.
При этом происходит наклеп поверхности детали, позволяющей повысить ее усталостную прочность. Наклепу подвергают готовые детали, прошедшие механическую и термическую обработку.
При дробеструйной обработке на поверхность деталей (рессор, пружин, зубчатых колес, звеньев гусениц, гильз, поршней и др.) из специальных дробометов с большой скоростью направляют поток стальной или чугунной дроби диаметром 0,5…1,5 мм.
Обработку роликами применяют обычно для цилиндрических деталей (шеек валов, осей железнодорожных вагонов, коленчатых валов) с помощью специальных приспособлений на обычных токарных станках. Обкатка, помимо упрочнения, повышает чистоту обрабатываемой поверхности.
Удары дроби и роликовая обкатка вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя. В результате наклепа:
- поверхность детали становится более твердой, что компенсирует действие обезуглероженного слоя;
в ней создаются остаточные напряжения сжатия, позволяющие повысить ее усталостную прочность;
- при наличии в поверхностных слоях остаточного аустенита, происходит фазовое превращение с образованием мартенсита, что дополнительно увеличивает твердость и износостойкость;
- на поверхности сглаживаются мелкие поверхностные дефекты, риски, являющиеся концентраторами напряжений.

машин.
Поверхностная закалка токами высокой чистоты – является эффективным способом упрочнения

только поверхностных слоев деталей на глубину от 1 до 10 мм. При этом сердцевина детали остается вязкой, а поверхностный слой приобретает высокую твердость.
Поверхностный слой детали можно нагреть в расплавленных металлах или солях, газовой горелкой, в электролитах, лазерным излучением. Однако, наиболее часто нагрев под закалку стали (выше АС 3) производят токами высокой частоты (ТВЧ). Деталь помещают внутри специального индуктора, который изготовлен в виде спирали из медных трубок. В связи с этим индуктор имеет высокую стоимость и является индивидуальным для каждой детали. Через индуктор пропускают электрический ток высокой частоты (от 599 гц до 10 МГц) и большой силы. Возникшее при этом электромагнитное высокочастотное поле возбуждает вихревые токи, которые и разогревают поверхность детали. Глубина нагретого слоя () зависит от частоты тока:
 = 5030 ()1/2  250 / ()1/2
где, – частота тока, Гц;  – глубина проникновения тока, см;  – удельное электросопротивление, омсм;  – магнитная проницаемость, гс/э.
Например, при частоте  = 1500 сек-1, глубина проникновения  = 2 мм. Регулируя частоту тока и время нагрева, можно достигнуть требуемой глубины прогрева, а следовательно требуемой глубины закаленного слоя.
Плотность тока по сечению детали неравномерна, на поверхности она значительно выше, чем в сердцевине. Поэтому основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое.
Охлаждение поверхностного слоя производится через индуктор или с помощью специального охлаждающего устройства. После закалки деталь подвергают низкому отпуску при температуре 180…220С.

машин.
Преимуществом высокочастотной закалки является:
- быстрота, время нагрева до 10 сек;

- скорость нагрева составляет 100…1000 С/сек;
- нагрев не сопровождается окислением и обезуглероживанием;
- устраняется коробление;
- получается более высокая твердость поверхности, чем после обычной закалки;
- регулируется глубина закаленного слоя;
- высокая производительность и возможность автоматизации.
Токами высокой частоты обычно подвергают закалке коленчатые и кулачковые валы, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, детали гусениц, пальцы рессор и т.д. из сталей содержащих свыше 0,4 % углерода (с низкой глубиной прокаливаемости).
Если поверхностная закалка разработана для упрочнения поверхностей деталей машин при сохранении химического состава по сечению изделия, то при химико-термической обработки (ХТО) происходит изменение химического состава стали.
Химико-термической обработкой – называется насыщение поверхности изделия углеродом, азотом, бором, алюминием, хромом и др.
Назначение ХТО состоит в том, чтобы путем изменения химического состава поверхностных слоев изделия и последующей термической обработки повысить твердость (при сохранении вязкой сердцевины), износостойкость, сопротивление усталости, коррозионную стойкость.
К основным видам ХТО относятся: цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом), цианирование (насыщение углеродом и азотом

машин.
К основным видам ХТО относятся: цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение

азотом), цианирование (насыщение углеродом и азотом одновременно), диффузионная металлизация (насыщение алюминием, хромом, никелем и др.)
В самом общем случае процесс ХТО состоит из трех стадий:
диссоциации – процесса формирования атомарного (несвязанного) насыщающего элемента;
абсорбции – процесса поглощения поверхностью металла атомов насыщающего элемента;
диффузии – процесса проникновения атомов насыщающего элемента вглубь металла;
Следует отметить, что, химико-термическая и лазерная обработки несколько ухудшают точность обработки деталей.
Классификация технологических методов обеспечения требуемых параметров поверхностного слоя деталей машин для заданных условий эксплуатации приведена в таблице.

машин.

машин

машин.

машин

номинального напряжения вблизи него.
2. Определение качества поверхности как совокупность характеристик.
3.

Влияние радиуса закругления в вершине концентратора напряжений приводит к изменению максимального напряжения.
4. Оценка параметров Rk, Rvk, Rpk по кривой Аббота, согласно немецкого стандарта.
5. Изменение напряжений в выступах и впадинах на поверхности микрорельефа, относительно номинального напряжения.
6. Определение шероховатости, волнистости поверхности материала по изменению высоты неровностей и величины среднего шага между неровностями.
7. Влияние нанесения регулярного микрорельефа на износостойкость поверхности изделия.
8. Определение Цианирования, как химико-термической обработки обогащения поверхностного слоя деталей машин.
9. Определение Азотирования, Цементации как химико-термической обработки обогащения поверхностного слоя деталей машин.
10. Определение Металлизации, как химико-термической обработки обогащения поверхностного слоя деталей машин.