1.6.4 Структуры
В результате холодной пластической деформации хорошо прокованный отожженный металл, имевший беспорядочно ориентированную равноосную структуру и свойства, примерно одинаковые в различных направлениях, получает ориентированную структуру.
При этом чем выше степень деформации, тем заметнее волокнистая структура. Происходит вытягивание и поворот зерен; межкристаллическое вещество также вытягивается в направлении течения металла, и холоднодеформированный металл получает ориентированную макро- и микроструктуру. Такой характер структуры и отсутствие перерезания волокон способствуют повышению практически всех прочностных характеристик металла.
В отличие от холодной обработки давлением, осуществляемой с целью формообразования, при чистовой обработки давлением происходит пластическая деформация лишь поверхностных слоев металла. Механизм же пластической деформации как при формообразовании, так и при отделке, калибровании и упрочнении одинаков. Отдельные кристаллы деформируются за счет сдвигов, происходящим поп плоскостям скольжения. Взаимные смещения отдельных слоев (пачек скольжения) приводят к значительным изменениям формы кристалла. Кристаллы теряют глобоидную форму, сплющиваются, укорачиваются в одном направлении и вытягиваются в другом, совпадающим с главным направлением деформации.
1.6.5 Микротвердость
Холодная пластическая деформация металла приводит у его упрочнению, возникающему в результате неоднородности деформации, искажения кристаллической решетки, переориентировки кристаллических зерен, изменения плоскости скольжения. Это приводит к повышению твердости. Одновременно повышаются пределы текучести и прочности и снижаются показатели пластичности: относительное удлинение, ударная вязкость, относительное сужение. Эти изменения весьма существенны. Так, даже при режимах, характерных для чистовой обработки давлением, не ставящей целью упрочнение и отличающейся относительно малыми значениями усилий, прилагаемых к деформирующим элементам, и, соответственно, невысокой степенью деформации, микротвердость может увеличиваться по сравнению с исходной на 30-40% [25]. Даже при сравнительно малой глубине распространения наклепа, что характерно для чистовой обработки давлением, его влияние на такие эксплуатационные свойства металла, как износостойкость, сопротивление схватыванию и пластическому деформированию, весьма существенно [4], [17].
При калибрующей, формообразующей и, особенно, упрочняющей обработке зона распространения наклепа может быть значительно расширена. Достаточно сказать, что обкатыванием роликами в настоящее время достигается распространение наклепа на глубину свыше 20 мм [25], что в ряде случаев позволяет отказаться от поверхностной закалки при обработке, например, валов, штоков, плунжеров большого диаметра и значительной длины.
Упрочнение металла весьма устойчиво во времени. Исследования [24] показали, что наклеп металла и остаточные напряжения, созданные при обкатывании роликами шеек железнодорожных осей, а также соответствующее повышение усталостной прочности в пределах 500 млн. циклов после испытания практически не изменяется. Такая длительность испытания соответствует 1 650 000 км пробега или 25 годам работы вагона.
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.
1.7 Цель и задачи дипломного проекта
Обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:
- сохраняется целость волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;
- отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности частичками шлифовальных кругов, полировочных паст;
- отсутствуют термические дефекты;
- стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности, можно достигать минимального параметра шероховатости поверхности (Rа=0,1 … 0,05 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;