/
Автор: Сулима А.М. Шулов В.А. Ягодкин Ю.Д.
Теги: детали машин передачи (механические) подъемно-транспортное оборудование крепежные средства смазка машиностроение материаловедение коррозионная стойкость прочность
ISBN: 5-217-00060-0
Год: 1988
Текст
УДК 621.81.004.12
Поверхностный слой и эксплуатационные свойства дета-
лей машин/А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. д. Яrодкин.
М.: Машиностроение, 1988.
240 с.
ISBN 5-217-00060
0
Рассмотрены параметры, опредеЛЯlOщне фнзико,химнческое С"С'I'''flние ""-
BepXH"CTH"r" <:JI"fI деталеА машин, методы н средства НХ нзмерення, прнведены
заIlЯСНМ"СТИ параметров nOBepXHoCTH"rO слоя от метод"в и режю,,,в обработки.
Для научиых работников, будет полезиа инженерн",техническнм работин.
Kal!ll машиностронтеЛЫIЫХ предприятнА.
Библиоrр.: 124 назв. Ил, 91. Табл. 8.
Рецензент д_р техи. наук А. Н. О в с е е н к о
2704070000
057
С 038 (ОЖ)
88 57
88
ISBN 5-
H1-00060-0
@ Издательство сМаwииостроениe.'t, 1988
Юlll
'iI'::.д\)ИСЛОВИIf
На ХХVП съезде КПСС была поставлена задача осущеСТВИ1'Ъ
реконструкцию народноrо хозяйства на основе наУ'ПIO
техниче.
CKoro проrресса. Эффективность реконструкции, темпы ЭКОНОI\j]
Ф
чеоюrо роста в решающей мере зависят от развития маI1ШНО.
строения. Уже к концу двенадцатой пятилетки предстшп резко
IЮВЫСИТЬ технико
экономический уровень и качество машин,
оборудования, прнборов.
ДJlН решения этой задачи в машиностроении проводится
(ЮJlыная работа
совершенствуются КОНСТРУКЦИИ деталей и узлов
машин, разрабатываются новые конструкционные материалы,
П'ХIlОЛОПlческие процессы изrотовления заrотовок и их обра-
()()ткн; .внедряются различные методы нанесения защитных 110'
"РЫТИЙ и др.
Обеспеу:ение заданноrо ресурса и el'o дальнейшее увеличение
ОСl/овная задача конструкторов, техиолоrов, металловедов и
метролоrов на ПрОНЗБодстве. Технолоrические методы являются
lI;ш60лее эффективными в решении этой проблемы. Они позволяют
!ЮIIЫСНТЬ точность изrотовления деталей и сборки узлов машин,
;1 также обеспечить оптимальное (для данных условий эксплуатаф
ц/ш) состояние rюверХl-lостноrо слоя.
llоверхностный слой детали в условиях эксплуатации под
lI\'р I'ilется И8иБО.1Iее сильному механическому, тепловому. маrнит-
J\о-электрическому, световому и друrим воздействиям. Потеря
)ll'талью cBoero служебноrо назначения и ее разрушение в 60ЛЬ
IlIJшстве случаев :начинается с поверхностноrо слоя, например,
l\о:тюкновение и развитие усталостной трещины, ;коррозин,эро-
,)1(11, износа и др. if
(:воЙства l'IоверХНОСТНОI'О слоя
быстро развивающзяся и
'Н'СЬМ8 l1ерспеЮ"ИБная область исследования физию! и химии,
которая IlрИJ3лекаеl' внимание .Ученых и инженеров раЗЛИЧl!ЫХ
отраслеЙ ПРОМЫШJlешIOСТН. Развнтне этоrо направления опре-
дед яет успехи в микрозлектронике, в машиностроении .
Большой ВЮНiД в изучение поверхностноrо слоя деталей н ero'
JI.lШНШIЯ на эксплуатационные свойства машин внесли советские
ученые В. А. КРЮЮУХОВ. П. Е. Дьяченко, А. И. Исаев, с.. Т, Киш-
10Ш, С. И. Кншки:на, А. А. Маталин, А" В. Подзей, М. и. Евстиr-
11t':L'!>, Л. А. Хворостухин, В. К. Старков, А. Н. Овсеенко"
И. В.. Дуиии-Баркоsский, С. В. Серенсеи и МИQl'ие друrие.
1"
з
Настоящая работа является даЛЬRеА:шим развитием исследо-
ваний поверхностноrо слоя
неровностей поверхности, струк-
туры, фазовOI'О н химическоrо состава !IоверХНОСТ!ЮI'О слоя;
изменения <jшзико-химическоrо состояния nOBepXHocTHoro слоя
!I'I УСJ'ЮБНЯХ эксплуатации н ero влияния на эксплуатационные
свойства; методов технолоrнческоrо обеспечения параметров
I10BepXHoCTHoro слоя для заданных условий эксплуатации.
В I<ниrе "риведены результаты исследований повеРХНОС1'иоrо
слоя деталеЙ после различных методов и режимов обработки;
УСТОЙЧIШОСТН параметров nOBepXHocTHoro слоя при иаrреве; ком-
ллеКСIIOI'О н раздельноrо влияния их на сопротивление усталости
прн высокочастотном наl'ружении и рабочих температурах,
Рассмотрены такне современные методы исследования физико-
хнмичеСlюrо состояния nosepXHocTHoro слоя, ка" электронная
оже-Сl1еКТрОСI<ОJ1И Я. рентrеноспектральный микроанализ, элек*
ТрОШ-IНЯ микроскопия, рентrеНОСТРУКТУР!lЫЙ анализ н др. Описаны
физические основы данных методов, 81Н!аратура и возможности
исследований.
Большое внимание уделено новым проrрессивным технолоrи*
. ческим ПрOLtессам. I1рнведены ВОЗМОЖIЮСТН лазерной И элек"
тронно.лучевой обработок J10BepXHOCTHOI'O слоя, иоиной имплан-
тации, нанесения покрытий вакуум*плазменным и электронно-
лучевым методами и др.
r ЛАВА 1
ФИ3ИЧЕС
ИЕ ОСНОВЫ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
1.Ж. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ
.в простейшем приближении металл в твердом состоянии
состоит ИЗ ионов, расположенных упорядоченио Б пространстве,
и э,nектроноn проводнмости, двнжущнхся между ионами. Элек
троны проводимости, обр'азующиеся в результате обобществления
(коллективизации) внешних электронов атомов металла, форми"
руют идеальный электронный rаз, ПОДЧИНЯЮЩИЙСЯ обычным rаэо.
БЫМ законам. При отсутствии внешнеrо ЭJ1ектрическоrо поля эти
ЭJJeКТрОНЫ движутся хаотически. Однако при НЫlОжении электри-
ческоrо поля в металле возникает напра1:JлеН!iое движение элек"
тронов проводимости, Т, е. появляется макроскопический
электрический ток. .
Металлы в твердом состо
яии имеют кристаллическую CTpYK
туру, Это означает, что ноны металлнческоrо кристалла образуют
дискретную периодическую простраиствеиную систему. [еоме-
трическим образом кристаллической структуры является про-
страИСТВеЮiая решетка, представляющая собой трехмерную пери-
одически повторяющуюся систему точек (узлов решетки),
совпадающих с центрами масс ионов, которая характеризуется
в оnределешюй: системе координат шестью величинами: тремя
:иеI{ОМllланарными осевыми трансляциями (периодами решетки)
а, Ь, с и тремя осевыми уrлами а,
, у (рис. 1.1). В векторном
представлении решетку можно описать соответствующими транс-
ляционными векторами а, Ь и С. Наличие трансющнЙ у решетки
означает, что при I1зраллельном лереносе вдоль .1:110601'0 трансля-
ц.нонноrо вектора решетка полностью совмещается сама с собой.
Параллелеrнтед, сторонами KOToporo являются осевые трансля-
ЦИИ, называется элементарной ячейкой решетки. Переносом эле-
ментарной ячейки :вдоль осевых трансляций можно «выстроить»
I3СЮ пр остр анствен ную решетку.
Все существующие решетки подразделяются на семь систем
(СI:IНf'ОНИЙ) в зависимости от соотношениЙ между периодами
решетки и осевыми уrлами. Например, для кубической СI1l:Н'ОНИИ
.tJ """ Ь """ с и о: """
== '\' '"'" 90"', для rексаrоналыюй а == Ь =1= с
н 'о: :::::::
== 90''', '\' == 120".
КООРДИ83ТЫ узлов решетки. Для полноrо ОIП!СЭНИЯ решетки
данното вещества, кроме синrонии и: периодов решетки, необхо
5
дима указатъ р аСi10ложе.
нне
частиц в
лементарной
.!lчеик€., С ЭТОН целью ВВО-
днтся сис'!'ема координат,
оси котороЙ Х, у I! Z соа-
падают СООТ8етственно
с веКТорамИ а, Ь и с, Тщ'дэ.
J1юбоi1 узеЛl рещетки может
бьпъ охарактеризован век-
тором
Ят ".0 т1а
т2Ь mзс.
Три числа тl. т
и тз
называют координатами
узла. При н:аписанни ко.
ординат узла их принято заключать в двойные квадратные
скобки [[mtт2mз] 1. Знак минус ставится над числом (тз), а не
впереди Hel'O. .
КРIl!:С1"аJllло
'рафжt'н
ские индексы плоскостей н наl!1равлеНlII:Й.
Прямые и плоскости, проходящие через узлы решетки, называют
узловыми прямыми И плоскостями. В силу присущей решетке
транслянJюююй симметрии, в неЙ имеется семейспю'параллель.
ных крнсталлоrрафически идентичных плос.костей. Эти плоскости
будут иметь одинаковые индексы. Под индексами плоскости
rЮН!lмают три простых целых числа h, k и 1, обратно пропорци-
OHaJIbКiblX длине отрезков, отсекаемых данной плоскостью на
:координатных осях. Причем длина отрезков выражается в долях
соответствующих периодов решетки, принятых за осевые единицы.
Для nJюскостей, l1араллельных какой-нибудь координатной оси,
с.оответствующий индекс принимается равным О (отсеl<аемый
отрезок равен (0). Некоторые плос.кости кубической решетки
ш>казаны из рис. 1.2. Индексы плоскости заключают в Kpyr лые
с!{обкн.
Каждое (
емейство параллельиых и крнсталлоrрафнчески иден-
тичных плоскостей (hki) характеризуется межплоскостным рассто-
юшем dh.l
I' равным расстоянию между ближайшими плоскостями
Э'I'Щ'О семейства.
Pi
C. 1.1. Простра:нственная решетка
т00)] [тоД
[100} [[ооор
а)
Рис, 1.2. ЭJlЕ:МI':Н'rЗРJfЫI! fIIчеlJlкн ОЦК (а), [ЦК (6) n rп (/1) реше'rOJ
ПН;]]
G
о)
у
fJ)
(001)
у
[010]
[1JI!!
Ш. Ж. Решетки lIекоторых iIIеТIlШlОВ
Решетка
МетапЛEli
ОЦК
rцк
rп
Ст, а-Ре, Мо, W, Nh, У, -Ti
Al, y Pe, f:i Co, Ni, Си, Ag
Mg, Zn, a-Ti, Hf, а-Со
Для кубической синrонии
d , а
Мl Yh2 + k2 + 12
(1.1)
rексаrональной синrонии
1 4
=::з
dhk1
Величина dM1 имеет большое значение :в peHTreHocTpYKTYPHOM
анализе.
При нахождении индексов направления необходимо учитывать,
что все параллельные между собой направления в решетке счи
таются кристаллоrрафически идентичными. Под индексами дан-
Horo направления [uvw] понимают три целых взаимно простых
числа, пропорциональных координатам любоrо узла, лежащеrо
на направлении, проходящем через начало координат царал-
JIелыю данному. На рис. 1.2 показан ряд направлений в куби
ческой и rексаrональной решетках и указаны их индексы.
Важнейшие типы решеток металлов. Наиболее распространены
среди металлов решетки rранецентрированная кубическая (rцк).
объемноцентрированная кубическая (ОЦК) и rексаrональная плот.
ноупакованная (rп). Элементарные ячейки этих решеток пока
заны на рис. 1.2. ОЦК- и rЦК-решетки, кроме атомов'" в вершинах
куба, имеют атомы соответственно в ero центре и центрах rраней.
Атом внутри элементарной ячейки rП-решетки имеет координаты
[[ + -} ] ]. Некоторые металлы, имеющие ОЦК -, rцк - и
rП-решетки, указаны в табл. 1.1.
Мноrие металлы (например, Fe, СО, ТО кристаЛЛИЗУЮ1'СЯ
8 различных решетках в ависимости от таких внешних условий,
как температура и давление (явление полиморфизма). Каждая
кристаллическая модификация металла обозначается опред лен-
ной l'реческой буквой. например, ct-Fe, - П.
Интерметаллические соединения, а также соединен я металлов
с, неметаллами имеют более сложные решетки [59 J.
для
h2 + hk + k2 12
а2 +'(;2'
(1,2)
... Для частиц, расположеиных в уэл х решетки металла, 11 литературе
обычно употребляется термин атом. Следует помнить, что этот термин приме-
ннется с известной долей условности. ПОСКOJl КУ В узлах решетки находятся ионы.
11
В последнее время мноrочисленные исследования f/Освящены
изучению металлических материалов с аморфной структурой [64J,
В отличие от кристаллических тел в твердых телах с аморфной
структурой упорядоченное расположение атомов наблюдается
лишь на небольших расстояниях (порядка межатомноrо). Аморф"
ные металлические материалы обычно получают очень быстрым
охлаждением (со скоростью 105 108 К/с) расплавов (закалкой из
Жидкоrо состояния). В аморфных сплавах фиксируется атомная
структура, свойственная жидкости. Эти материалы не являются
стабильными, и HarpeB до невысоких температур ведет к их кри-
сталлизации. Некоторые металлические сплавы с аморфной струк-
турой обладают уникальныии механическими, ФИiJическими и
химическими свойствами, в частности, имеют очень высокие
пластичность и коррозионную стойкость.
1.2. КРИТИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ сдвиrА.
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ СКОJJЬЖЕНИЕМ
Пластическое деформирование !зо мноrих кристаллах про-
текает путем скольжения, при котором одна часть кристалла
«скользит» как целая относительно друrой ero части. Плоская
rюверх:ность, вдоль которой происходит скольжение, называется
плоскостью скольжения, а направление перемещения направле-
нием скольжени я.
В середине 20 x rОДОБ нашеrо века Френ:!<ель, основываясь
на представлении о пространственной решетке, предложил простой
метод оценки критическоrо напряжения сдвиrа для кристаллов
(Т. е. минимальноrо напряжения, при котором должно наблю-
даться скольжение (сдвиr) одной части кристалла относительно
друrой).
Рассмотрим решетку (рис. 1.3) и рассчитаем минимальное
напряжение, необходимое для Toro, чтобы сдвинуть верхнюю
(относительно плоскости скольжения ММ') часть решетки, т. е.
ОДНОВР,еменно сместить все атомы BepXHero слоя по отношению
к атомам нижнеrо слоя. При смещении х атомов НЗ положения
УСТОЙЧИВОl'О равновесия х =::: О потенциальная энерr'ия U решетки.
обусловленная межатомным взаимодействием, будет сначала
увеличиваться и достиrнет максимальноrо значения при х "''''
""'" '0/2 (ro межатомное расстояние). При этом атомы sepxHero
слоя расположатся на одинаковом расстоянии от атомов ниж:неrо
слоя и наступит состояние неустойчивоrо равновесия. Затем рост х
приведет к снижению величины и, и при х == '0 QJfa уменьшится
ДО И:СХОДliоrо значения. Таким образом, функция U (х) является
периодической с периодом, равным '0'
Напряжение, необходимое для изменения и, очевидно, будет
являться также периодической функцией х с периодом 'о, по
скольку с1 "'" dU/dx (см. рис. 1.3). При смещениях О < х < (r0l2)
величина а положите,nьна :и напряжение совершает работу против
8
t=t:t=1 н'
Рис. 1.3. Сдвнr ОДНОЙ части решетки ПО ОТНОо
шению к друrой ПОД действием напряжения
а (а). Зависимость U И (J от величины сдои-
ra (6)
G
х
а.)
u
о
Рис. 1.4. Решетка с краевой дислокацией. Наи-
большее искажение решетки наблюдается
у I<рая экстраплоскости
а)
сил межатомноrо взаимодействия, препятствующих сдвиrу. При
(ro/2) < х < (о эти силы способствуют приближению верхней
части решетки к положению устойчивоrо равновесия х == 'о.
И поэтому (J < О. Если х == О или '0 (сьстояние устойчивоrо равно-
весия) и х ::= '0/2 (состояние неустойчивоrо равновесия), то а == О.
в первом приближении зависимость а (х) можно описать
синусоидальной функцией
21&%
(J "'= О"тах sln . (1.3)
1'0
Минимальное напряжение, при котором будет иметь место сдвиr,
оир == GПlах. Значение О"шах можно найти, учитывая, что в области
ма,пых смещений (в области упруrой деформации) выражение (1.3)
должно совпадать с законом rYKa для сдвиrа
(J ""'" ау.,
!'де G модуль сдвиrа; у$ деформация
ТО1."да
( 1.4)
сдвиrа ('1'* """ x/rflJ.
21&Х Х
(JgофQ == О"mах == a
'0 '0
(1.5)
или
Q
О'ИР == О'mах == 21t .
(1.6)
Пос!шлы<у G имеет значение порядка (1010 ... 10Н) Па, '1'0 О"ир
;:;:j (109 ... 1010) Па.
Однако реальные значения критичеСRоrо напряжения сдвиrа
оказываются на несколько порядков ниже. Теоретическая оценка
9
р
'""'"'
-+J..
а)
с
А \ .L\ l. А
Рис. 1.5. Скольжение краевой дислокации
б)
в
А
I----
А'
8)
аир может быть улучшена, если принять более точный закон,
описывающий заВJ:lСИМОСТЬ и (х) и соответственно а (х). Мак-
кензи показал; что значение аир снижается при этом до а/зо.
ОДНЮ<о такое значение HaMHoro выше экспериментально наблюда-
емых величин.
Для объяснения этоrо противоречия Тейлор, Орован и Поляни
В 1934 r. независимо друr от друrа предположили, чТо кристаллы
содержат особые дефекты, названные краевыми дислокациями,
и пластическая деформация есть результат скольжения этих
дислокаций. У решетки кристалла с краевой дислокацией в верх-
ней части имеется лишняя атомная полуплоскость (рис. 1.4),
которую' называют экстраплоскостью. Краевая дислокация ЯВ-
ляется линейным дефектом и представляет собой область несовер-
шенства кристалла вблизи края экстраплоскости.
Рассмотрим схему скольжения краевой дислокации на одно
межатомное расстояние (рис. 1.5). Положение атомных узлов
в исходный момент обозначено светлыми кружками (рис. 1.5, а),
после перемещения дислокации темными (рис. 1.5, б). При
скольжении дислокации целая атомная плоскость ве разрывается
на две части. Ее нижняя часть объединяется с исходной экстра-
плоскостью и образует новую целую атомную плоскость, а верх-
няя превращается в новую экстраплоскость CD. В отличие
от додислокационных моделей, предполаrающих одновременное
смещение всех атомов верхней части кристалла, в данном случае
небольшие перемещения (меньше одноrо межатомноrо расстояния)
атомов лишь вблизи дислокаций приводят к ее перемещению
на однО! межатомное расстояние. Пластическая деформация кри
сталла сдвиrом в результате СКОJIьжения дислокации справа
налево через весь кристалл покзззна на рис. 1.5, в. Сдвю' распро
страняется постепенно. Происходит поочередное эстафетное пере
мещение атомов вблизи дислокаций, в результате чеrо она сколь-
зит на большие расстояния. Если при одновременном сдвиrе
верхней части кристалла по отношению к нижней необходимо
преодолеть силы связи между всеми rрани'lНЫМИ атомами по
UOJ
обе стороны от ПJIIОСКОСТН СIZОJllьжея:ия, ТО прн: nеремещенни дисJtОК3!е
ции разрываются СВЯЗИ только между !'раЮfЧН:ЫМИ атомами ОДНОЙ
ШЮСI<ОСТИ (плоскости ве на рис. 1.,5, б). Именно этим объясняется
низкое эксперимеН'fаЛЬНое значение величины аир (в ме'Таллю
rюрядка 10 \\O). .
Таким образом, с середины ЗО х rодов стало раЗБинаТЬСН учение
о дефеКТi1Х строения реальных кристаллов, оказывающих значи
rеЛh!{(J(!' 13.'1 И ЯННЕ' на прочность И ,ШIасrИЧНQСТЬ металлов, а также
На МНО[ не ДРУfН€! СБойства.
1.3. ДЕФЕКТЫ :КРИСТАЛЛИЧЕскоrо СТРОЕНИЯ
Дефекты кристалличеСI<оrо строения подразделяют 110 reo-
метрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные,
Точечные дефекты сн'рэ.ничеНЫ в трех измереНИЯХ: их линейные
размеры порядка 1 межатомноrо расстояния. К точечным де-
фектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные
атомы и их комплексы. Вакансии (незанятые узлы решетки)
и межузеJlьные атомы (атомы, находящиеся вне узлов решетки)
всеrда присутствуют в реальном крнсталле. Их обр азование
н исчезновение есть результат флуктуаций атомов. Равновесная
концентрация вакансий увеличивается с повыщением темпе.
ратурЬ! rю экспоненциальному закону:
Си =о nv/n =:о ехр ( St,jk) ехр ( Ev/kT), (l
rде по число вакансий; n число узлов решетки; Ef; :и
соответственно энерrия и энтропия образования одной вакансии;
k постоянна.я БО,rIьцмана; Т температура, К.
Значение Во в MeT3J1JiaX около 1 эВ, а энтропииный МНО"
житель ехр ( S'{)lk) имеет значение около 1. Поэтому при KOMHaT
нои температуре концентрация вакансий составляет порядка 10 11\,
а при 1100 ос lO 5. Равновесная \юнцентрация межузельиых
3TOMOft также описывается экспоненциальным выражением типа
(1.7). Однако значение энерrии образования межузельных аТОМОВ
в несколько раз выше, поэтому их равновесная концентрация
HaMHoro ниже, чем у вакансий.
Избыток :вакансии (межузельных атомов) можно создit1Ъ рез-
КИМ охлаждением металла, сильноЙ деформацией, облучением
высокоэнерrетичеСJ<ИМН частицами. Концентрацию ваюJ:НСНЙ,
образующнхся при пластическом дефОРМНРОВaIНШ, МОЖНО оцею:,п:ъ
из эмпирнчеСI<оrо выражения
Cv "'"'1'}е'\
(1
['де '11 величина flOстояииая; Е степень пластичесн:ой де.,
формации. Значение Ч меняется в интервале 10'-5 '" lO !1 В зависи
мости от !lОКазателя степени n, который меняется от 1 до 2.
BOKpyr вакансии ИЛИ межузельноrо атома решетка искажена.
Точечный дефект МОЖНQ рассмаТРИВаТЬ в первом
н
как центр сжатия (вакансия) ИJ1lП
расширения (межузельныЙ атом).
т очечнымИ дефектамн являются
н примесные 81ОМЬ!, образующиеся
при леrировании металла или при-
СУТСТВУющие в нем вс едствие не-
достаточной химической чистоты,
Примесные атомы в зависимости от
соотношения атомных размеров при-
меси и OCHoBHoro металла Mory1' эани-
Рис. 1.6. Решетка с винтовой ДИ' мать позиции в узлах решетки и меж-
C.IIокацией дуузельях. Межузельные позиции
обычно заннмают 1'ОЛЬКО прнмес-
мые 810МЬ! водорода, уrлерода, бора, азота и др., имеющие
малые размеры 110 сравнению С атомами металла. Примесные
атомы, занимающие межузельные позиции, приводят к возникно-
J!lению локальных напряжений растяжения и соответственно к уве-
- личению периодов решетки OCHoBHoro металла. Примесные
атомы, замещающие атомы растворителя в узлах решетки, ведут
к аналоrичным эффектам, если примесный атом больше по раз-
мерам, чем атом ,ОСновносо металла. В противном СЛУЧае наличие
Примесных атомов приведет К появлению локальных сжимающих
напряжений и соответственно К уменьшению периодов решетки,
Линейные дефекты имеют в одном из направлений размер, со-
измеримый с размером кристаJ!ла. К ним относятся дислокации
и' ДЛИНные цепочки точечных дефектов (вакансий, межузельных
атомов).
Дислокации различают краевые и винтовые. Понятие о краевой
дислокации введено Тейлором, Орованом и Полянн В 1934 r.
Бюрrерс в 1939 r. предложил модель винтовой диС.I!Окацин.
Винтовая Дислокац.ня это линеЙный дефект, который можно
рассматривать как несовершенство решетки, образующееся при
сдвиrе ее части по плоскости ABCD (рис. 1.6). Причем ВИЛ;Н9, что
сдвИI' вдоль прямоЙ AD ПРОИ3Qшел рОВНо на одно межатомное
расстояние, а СДВЮ' вдоль прямой ве отсутствует. Таким обра-
зом, Б рещетке образуется атомная плоскость, зю<рученная: в виде
l'еJJЩ<Оlща с осью 8е. НесоверщеllСТВО рещетки в оБJl8СТН ли
нни ВС II называют 1ЗIШТОВОЙ ДНС/f(жациеЙ. '
Дислокации характеризуют вектором Бюрrерса, ЯВЛЯЮЩимсн
мероЙ lIскаженное fИ КfНlСl'а.11лнческой решеп\Н, обусловленной
ПРIlСУТСТl:Jнем в неЙ ДИСJJOКaJ.I,НИ. В простеЙwнх случаях вектор
БЮРl'ерса /;0 Оl1редеJlяет величину If направление смещений атомов
в тоЙ чаСТI! решеrки, rде сдвиr уже прuшел (см. рис. 1.4 и 1.6).
13 ра,\щах МUДСЮJ. рассматривающей кристалл 1\31. УПрУI'ое изо-
тропное твердое П JIO, ::терl'lIЯ винтовоЙ ДIIСЛQI,аЦИII (равная но
ве.1)ичине работе IНIСШIШХ сил для ее образования) определяется
(.дедующим обра;юм
tt
D
Ж
,
Е{) == /fZ'IGb(!l.
О.9)
rде ()!,1 "'" 0,5 н. 1,0 (константа); bfl модуль веКТора Бюрrерса:;
i ДЛина дислокационной линии; это ози а'{ает, что энерrня
дислокации на еДИI!iИЦУ ее ДЛИНЫ порядка 10 :.. lO '!I ДЖ/М
(О ,...., lO O ... 1011 11а; bfl ",. lO l!l м).
Энерrия краевой дислокации также оказывается пропорци-
опальной величине b . Таким образом, .вектор Бюрrерса характе.
ризует и энерrию Дислокации.
Следует помнить, что энерrия дислокации Еп всеrда положи-
тельна, а значение Еп дает рещающий вклад в изменение свобод-
ной энерrии 1:l0 кристалла при образовании дислокации. ПОЭТОМУ
при образовании дислокации 1:l0 > О. Таким образом, дислокации
термюдинамически нестабильны, и в кристаллах образуются пре-
Жде Бсе!'Q дислокации с минима.IIЬНОU энерrией. Так, например,
характерными дислокациями в rЦК решетке являются дисдока
а а
ции с ЬО """ 7[ (11О), в ОЦК-решетке с ЬО '2 (111) и т. д.
Плоскость скольжения краевой ДИС.IIокации однозначно опре-
делится вектором Бюрrерса и линией дислокации. В отличие
от этоrо винтовая дислокация может скользить в любой кристал-
лоrрафической плоскости, в которой лежит ЛИНИЯ дислокации.
Кроме Toro, краевые дислокации MoryT леремещаться <<переполза-
нием» в направлении, лерлендикулярном к ПЛоскости скольжения,
в результате укорочения или наращивания края экстрапло-
СI(ОСТИ. Переползание связано с диффузионным перемещением
атомов от края экстр а плоскости или к нему.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что
в лроцессе деформирования металла в нем образуется .большое
ЧИСЛО новых дислокаций, в результате перемещения которых
и наблюдается макродеформация материала.
Источниками дислокаций MorYT быть rраницы зерен, двоини-
ков, поверхность образца, а также. дислокации, закрепленные
в двух точках (источник Франка Рида).
В з а и м о Д е й с т в и е Д и с л о к а Ц и Й. Дислокации
взаимодействуют между собой, а также с друrими дефектами
кристаллическоrо строения. Вокру!' дефекта решетка деформиро-
вана и имеется поле напряжений, которое взаимодействует с ди-
стжациями. В результате этоrо движение дислокаций D решетке
затрудняется. НаПРИj)ftер. если в двух параллельных плоскостях,
удаленных дру!' от друrа на расстояние у, имеются две одинаковые
дислокации, то сила иХ взаимодействия (притяжения) f B з:ашиси.
мости от 110Jюжеиия дислокаций изменяется так, как показюlO
на рис. 1.7. При х < у дислокацни Jlритяrнваются (! > О), а при
х > у отталкиваются (f < О). Сила взаимодействия равна О при
х ..: О (устойчивое равновесие) и х 1j (неустоltчнвое равновесие).
Таким образом, для указанных дислсжаций УСТОЙЧИlJbJМ является
положеиие, КО!'ца они расположены дру!' над друr'ом.
Скорость движения ДИСJlОкаций изменяется в Il.IИрОКИХ прс..
деlJlаХ в заuМlС.и"юстн ОТ приложеююrо Ш'JIпр, ЯЖе!ilН!' Темпера1'Урfil
13
1
Рис. 1.1. ВэаимодеliС'l'вие :краеuых ,!I.1Iс.;10.
каЦIIЙ OAHoro знаю'!, распстожеНI!ЫХ В, 1111-
Р;Jллельных тIOС!СОСПIХ (а); сила IJ.заимо,
деЙств,!!!! между ДНС,10каЦJlЯМИ (6) ,
*,
(tr\
D Iy",i i: )
6)
н ДРУПfХ фalПОРО!3. При ИИЭ'Кf!Х
напрюкен!!ях дислокации сколь"
31'11' очень медленно (со с!юростью
пор ЯД1<3 10..7 СМ 11 меньше). С ро-
стом прнложеююrо напряжения
и температуры I1Х CKOpOCTI> уве.
личиваетсн, НО она не может IJре.
ВЫСИТЬ СКОрОСТЬ раСllростране..
ння улруr'ой деформации в кристалле, равную скорости звука.
n Jn о т н о с т ь Д Н С JI О К а lt 11 Й. Важной колнчествешюЙ
характернстнкой ДИСЛОЮЩНоЮЮЙ структуры ЯВЛЯСТСЯ ПJlЮтность
дислокаций Рп, eM ', равная суммарной длине днслокаЦИQННЫХ
.JНЩНЙ 13 единице объема маТЕ>риала:
а)
рп =" иу,
(1.10)
rдoe L суммарна.я длина, см, ДИСЛОЮ:Щ:ИОННЫХ ЛИНИЙ в объеме V
материала, см3.
Значение Р!) зависит от способа получения и обработки Me
'rЗЛJН1. Наибо,l]ее типичные значения Рй ДЛЯ материалов следу-
ющие:
Состояние материа а
.м.ОIiОКРИСТ<МЛЫ QСQбо ЧИСТЫХ nеJД€;С,В, ВЬ1раЩI;ЩI!ЫС :;; ТЩ<l'
тeJlbHO реrулнруемых УСДОDИRХ . . . . . .
01'ОЖЖенные обычные монокристаллы . . .
Отожженные !ю. икристаллические металлы.
,еТilЛЛbl после ХQлодноrо дефОРМl!ровающ .
Р.о' см ,
Ю2 ... 103
IO .., 1O
10' ... 10
IOН ... 1012
Поверхностные дефекты малы только 13 одном измерении. К ним
ОПlOсятся rраницы зерен, субзерен (блоков), ДI:ЮЙЮIКОВ, дефекты
упаковки.
Обыч.но металл является flОЛНКРИСТВ,i]iличееким теJЮМ,l': е,
СОСТОИТ НЗ множества ОТДeJlЬНblХ крнстаJ!JЮВ (зерен), решетки
которых от!шчаются пространстненной ориентацией. Внутри зерен
имеются еще субзерпа (блOlШ), разориеНТИРОВ<llшые относитеJIЫЮ
дру!' друrа на малые уrлы (обычно Не более 1"), Среди: rрающ
зерен различают малоуrловые !'раННI,tы (с УI'JЮМ раЗ0рнентнрова
н:ия Не более НУ') н высокоуrловые. fраню.I,Ы субзерен мало.
Уr.l!Овые.
Простейшая .схема ма.rюуrловой J'р<шиltЫ прнведена на
рис. 1.8. Эта rрающа образована вертикальной стенкоЙ одннако.
БЫК краевых дислокаций. Решетки соседниХ зерен упруrо co
ЩНП'ЮQТС;Я ВО s(:eJ областях, кроме Te , l'де иаХОДЯП:СЯ).lЯСJЮJ,J::ДЦЮ'С
14
I \ \ 00 ,
cr'Jc........
"-
1 11
1I
\
\
\ I
\ \ J. J
Рис. 1.8. Схема маJlоуrЛDВОЙ rраницы Рис. 1.9. Двойник в решетке (стреJшао
ми указаны rраницы двойника)
Из рис. 1.8 следует, что при малых yr лах разориентации зерен аа
расстояние между дислокациями в rранице
D!:::!. Ьо/аз, (1.11)
rде Ь вектор Бюрrерса дислокаций.
Чем больше уrол аз, тем меньше расстояние между дислокаф
циями. При уrлах аз :<: 100 указанная модель rраницы неприф
менима, так как дислокации располаrаются столь близко друr
l( друrу, что теряют свою индивидуальность.
Высокоуrловые rраницы имеют более сложную структуру.
Существует MHoro моделей этих rраниц, но, по существу, боль-
шинство из них использует общую идею чередования в rранице
областей «хорошеrо» и «плохоrо» сопряжения решеток, предло-
женную в 1948 r. Моттом.
В «островковой» модели Мотта rраница рассматривалась в виде
островков хорошеrо сопряжения решеток двух зерен, окруженных
областями плохоrо сопряжения. Простейшая модель малоуrловых
зерен также включает идею о чередовании областей плохоrо
сопряжения решеток (вблизи дислокаций) и хорошеrо их СОПрЯф
жени я (между дислокациями). Считается, что толщина rраниц
зерен порядка межатомноrо расстояния.
rращщы зерен обладают рядом особенностей по. сравнению
с внутренними их областями. rраНlЩЫ зерен вследствие более
высокой энерrии атомов леrче вытравливаются при химическом
взаимодействии С реактивами. Коэффициент диффузии по rрани-
цам зерен во MHoro раз выше, чем по объему зерен. При высоких,
температурах rраницы зерен быстро переходят в вязкое состо-
яние, наблюдается межзеренное скольжение, по ним распростраФ
няются трещины и т. д. Удельная энерrия высокоуrловых rраниц
пор ядка (1 1O 1) Дж/мS.
В ряде случаев при кристаллизации или при пластическом
деформировании внутри зерен образуются двойники, решетка
которых ориентирована таким образом, что является зеркальным
15
отражением решеткн OCROBHoro зерна ОТИ:ОСИТЕ\I!fЬНО плоскости
(rраницы) двоЙника (рис, 1,9).
Образование ЩЮЙШI!ЮВ результэт перемещения особых
(Д;ВОЙНИJl{УЮЩИХ) дш'локзций, Решетки соседниХ ДВОЙЮfКОВ на их
jrраиице хорошо (':Оrlрюкены (rюrерентио Сi8Я3 ШЫ ДРУХ' с друс'ом).
Энерrня l<оrереНТНQЙ ДБОЙЮI.КQЕОЙ rраницы HaMHoro ниже (со-
ставляет IВcero нескоды<о Пj.щцентов)., чем у обычных ВЫСОКО-
уrловых rрающ.
Реше1"1<У ме'r'8лла можно ВIЫIС'\l"рои"rь», укладывая в определен-
НОЙ IЮСllедователыюстн друr на друrа ОДННЮ<Оl3ые по структуре
атомные слои, смеШ,еЮlые ОТl!!()ситеlIЫ'Ю друr ДРУЖ'8. Например,
IТI-решетку можно fЮJIУЧИТЬ. укладывая друr на друrа в направ
ленин [001] IUIотноупако:ва:н:ные атомные слои 13 IЮСJrедоватеJЖЬ
насти АВ, .... АВ, ..., АВ. УДе А п В . атомные СЛОИ, смещенные
относительно друr дру!"а на вектор al3 [120 i (а OCei3aSi трансля-
ция). Нарушения (ошибки) в чередовании этих слоев называются
дефектами упаковки. Дефекты упаковки MorYT образовываться
,8 результате перемещения особых дислокаций. Энерrия дефектов
упаковки на единицу площади поверхности для металлов
(1 o ... lO :II) ДЖ/М:!!.
Более полные сведения о дефектах кристаллическоrо строения
можно найти Б работе 1114 J.
1.4. КРИВАЯ УПРОЧНЕНИЯ. МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Механическое поведение металлов при деформировании харак-
теризуется диаrР8ММОЙ. оrшсывающей изменение напряжения rJ
ОТ их деформации в (рис. 1.10). Соответствующие кривые назы-
ваются кривыми напряжение деформация или кривыми упроч-
нения. Термин деформационное упрочнение (наклеп) указывает
на характерное для металлов явление, происходящее в результате
пластическоrо деформирования.
Кривая упрочнения (см. рис. 1.10, кривая 1) своЙственна
большинству lСОНСТРУКЦНОННЫХ: стаJiей, а также алюминиевым
и титановым спланам. Кривая 2 с площадкой текучесТИ харак-
1'ерна для железа, мю"ких уrлеродистых сталеЙ, бронз.
Начальный участок кривой упрочнения описывает линейную
и не зависящую от времени зависимость а (8), хараl{терную \ для
упруrой деформации, МаКС!iмальное напряжение, при котором
еще наблюдается только УПРУI'ая деформация и соответственно
отсутствует остаточная деформация, называется пределом упру
rOCTH ау материала,
При увеличении напряжения дозначений, превышающих О'у'
происходит пластическое деформирование металла, т. е. после
снятия напряжения в нем сохраняется остаточная деформация I':ост'
Для металлов, которым свойственна кривая упрочнения с пло-
щадкоЙi текучести, за предел текучести ат принимается напряже-
16
в
'[
к
о
Е
Е
Рис. 1.11. Кривая упрочнения IУРИ де-
формации растяжениеы rцк кри,
стз.llЛЗ
Рис. !. Ю. ТИllИчные кривые упрочне.
ИЮ! при деформации растяжениеы по-
JНlкристаЛlшчесн:их металла!!
нне, при котором наблюдается площадка текучести, т. е. рост
деформации без увеличения СИЛЫ, ДЛЯ остальных металлов вво-
ДИТСЯ rюнятие условноrо предела текучести ao,!I' paBHoro напря-
жению, после СНЯТИЯ KOToporo 801)'1' == 0,2 %.
При низких температурах значение ВОСТ практически не зави-
сит от времени приложения силы. Однако при высоких TeMn
ратурах в металлах наблюдается явление ползучести: рост де.
формации БО времени при ПОСТОЯННОЙ приложенной силе.
При пластическом деформировании рост !'; сопровождается
первоначально повышением а (участок J{РИВОЙ упрочнения до
точки В). Напряжение, соответствующее точке В, называется
пределом прочности металла или временным сопротивлением
ав "'""F»lSfj,
( 1.12)
rде Рв сила, действующая на образец в точке В; 80 ПJlOщадъ
пеРВQнзчаЛЬНОI'О поперечноrо сечения образца.
При деформировании образца до точки В площадь ero попереq
Horo сечения меняется мало. Однако при переходе за точку В
наступает период сосредоточенной деформации. Деформация лока
лиэуется на определенном участке образца, площадь ero попереч-
НЩ'О сечения в этом месте уменьшается, что приводит к снижению
силы F и соответственно величины а == FjSo. Однако на участке
ВК рост в СОllровождается естественно ростом истинноrо напря-
жения, paBHoro отношению силы к площади поперечноrо сечения
образца в данный момент времени. Наконец, В точке К происходит
разрушение образца.
Следует отметить, что на диаrрамме упрочнения ряда сплавов
, (алюминиевых, титановых) участок ВК отсутствует и разрушение
происходит при максималь,НОЙ величине 0', т. е. точки В и К
в данном случае совпадают" В. качестве характеристик пластич-
ности металлов ИСfЮ Ьа,уют относительное удлинение б 11 относи-
11
Te.l'lbHOe сужение 1('1 обраэц nOC.I'Ie ето разрыва, а также ударную
вязкость ан.
Бо.l'lЬШИНСТВО используемых Б технике материалов являются
поликристаллическими. Однако для описания дислокзционноrо
механизма пластической деформации и процессов упрочнения
удобно рассмотреть первоначзльно кривые упрочнения моно-
кристаллов.
Деформационное упрочнение монокриста'n'nО8. Кривая упроч-
нения металлов с rцк-структурой приведена на рис. 1.11, rде
отчетливо видны различные стадии 1, 11, 111 пластическо ' де-
формации.
Исследования, выполненные на кристаллах чистых металлов
с rцк-, ОЦК- и rП-решеткой, показали, что эта кривая яв-
ляется общей для этих металлов. Однако в зависимости 61' типа
решетки и ее ориентации стадии 1, /1 и 111 имеют различную
протяженность или MorYT совсем отсутствовать.
Стадия 1 характеризуется малым коэффициентом деформа-
ционноrо упрочнения
8[ == ( :) [ 10 41a (1.13)
и линейной зависимостью 't' от В (эдесь 't' напряжение сд:виrа).
Стадия 1 называется стадией леrкоrо скольжения. Скольжение
осуществляется перемещением дислокации только по одной (пер-
вичной) системе скольжения. Взаимодействие движущихся дисло-
каций между собой практически отсутствует (еще велики рассто-
яния между ними). Предполаrается, что основным фактором
упрочнения на этой стадии является задержка дислокаций у суб-
rраниц в кристалле. Стадия 1 заканчивается для rЦК-кристал-
лов при степени деформации от нескольких процентов до 20 %.
Однако при деформации rП-кристаллов стадия l' наблюдается
при степенях деформации, достиrающих 100 ... 200 %.
При более значительных напряжениях наступает стадия ll,
коэффициент упрочнения на которой на порядок выше по значе-
нию, чем на стадии 1. Для мноrих металлов с rЦК-решеткой
коэффициент упрочнения ell 4. lо за. На этой стадии кривая
упрочнения, так же как и на стадии 1, имеет линейный характер.
Считается, что интенсивное упрочнение на стадии 11 связано
с множественным скольжением, т. е. со скольжением одновре-
MeHHQ по первичным и вторичным системам, сопровождающимся
образованием эффективных препятствий при встрече дислокаций,
движущихся в пересекающихся плоскостях.
Зависимость напряжения от плотности дислокаций Рп на
стадии 11
't'....... -v Рп' (1.14)
Плотность дислокаций в начале стадии J 1 составляет 109 CM 2.
а в конце 1010 CM 2. При более высоких напряжениях наступает
стадия 111, характеризующаяся параболической зависимостью 8
18
ОТ 11. Это означает, что степень упрочнения снижается с рОС1'ОМ E,
Третья стадия в rЦК кристаллах начинается при в === 30 ... 50 %,
Деформирование на СТадии 111 характеризуется развитием по-
nepeG:HOrQ скольжения, которое является основным механизмом
обхода ДИС.1Iокациями барьеров для их движения, созданных на
стадии 11. В результате наклон кривой упрочнения на СТаДИИ
уменьшается.
На стадии 1 J f развиваЮТСJl процессы динамическоrо возврата,
связанные с перераспределением дислокаций под влиянием высо"
JШХ напряжений: анню'илируют (исчезают) в результате взаимо-
деЙствия дислокаций разных знаков, происходит «рассасывание»
Д!IСJЮli8lЦ!IOННЫХ скоплений. По мере повышения напряжения
эиерrия активации этих процессов снижается.
На кривой упрочнения ряда материалов наблюдается площадка
текучестн (см. рис. 1.10), которая означает, что переход от упру-
roro деформирования к пластическому происходит при некотором
падении деформирующих напряжений. Наличие ПЛОЩадки теку- '
чести оБУСJIовлено резким увеличением подвижных дислокаций
и их Jlеrким движением. Эти дислокаuии MorYT появляться в ре-
зультаТе «вырыванию> ИЗ окружающей их атмосферы примесей
или rенерироватъся каким-либо дислокационным источником.
Стадия «прерьшистой» текучести, описываемая площадкой теку-
чести на кривой упрочнения, характеризуется резко выраженноЙ
JЮК3ЛЬНОСТЬЮ деформацин: текучесть зарождается в одном или
неt КОJiЫШХ местах и: распространяется, охватывая все новые
объемы металла. Протекание этой стадии завершается при MaKpo
iCКОЛlической деформации, равной длине площадки текучести,
после чеrо начинается стадия параболическо!'о упрочнения
(стадия IЩ.
Пластическое деформирование поликристаллических металлов.
Особеююстн fшастическоrо деформирования поликристаллических
металлов обусловлены двумя основными причинами: 1) наличием
большоrо числа различно ориентированных зерен; 2) существова
ннем межзеренных rраниц. В силу первой причины стадия леrкоrо
ен:ольжения при деформировании поликристаллических мате-
риалов не наблюдается. В rлавных системах скольжения различно
ор'иеIПИрОВЭННЫХ зерен полнкристаллическоrо ,тела действуют
различные !{асательиые напряжения
'!i ""'" (J sin Х1 cos Л1,
т'де CJ напряжение, rrриложенное к телу; Х1 и "-1 соответ-
ствешю уrды между осью, вдоль которой ПРИJlожено напряжение,
н плоскостью и напраВ.r!ением СКОJlьжения.
Произведение sin;(1 cos 1...1 называют фактором Шмида. По
этому в поликристалле всеrда имеются зерна, блаrоприятно
ориентнрованные для множественноrо скольжения. Т аким образом.
пластическое деформирование поликристаллов, не имеющих на
упрочнения ПJЮЩДiПП1 текучести, сразу Jн ч!-шае'fСЯl со
1!J!
Рм,
3
80
3'
Рис. 1.12. 3Si!IfСИil'lОС'f'П аО.llюсноi II.IIIОТ-
/ЮСТИ (1 4) Н интеrра.1Ы{{)Й ш/!рины
днфракцно/шоii: ДННЮ/ (.з.L [) 'l.ф азы (5)
ДЛЯ 06ра,3П<)8 iJ'U C'fli:;ael1!H .:.еформаЦIIИ
пр ff Ва.1ыtе,шнин:
I рнв: 2...,... PtOD; " PI !t 4 ""'"' PHf1
стадии множественноrо СI<ОЛЬ
жения (стадия 11). Эта стадия
особенно четко фиксируется при
низких температурах. С повышением температуры напряжение,
соответствующее переходу к стадии 1 J J (стадии параболической
зависимости 8- ОТ 't), заметно уменьшается.
rраницы зерен, в СБОЮ очередь, преIlЯТСТВУЮТ скольжению
дислокаций и «передаче» деформации из зерна в зерно. Во мноrих
случаях зависимость предела текучести
0'1' """ 0'1} + k11з, (1.15)
rде 0'0 и k1 постоянные; [3 средний размер зерна. ,
Зависимость напряжения разрушения поликристаллических
металлов от размера зерен обычно имеет такой же ВИД, как и BЫ
ражение (1.15).
При высоких температурах и наrрузках уравнение О.15)
(зависимость Холла Петча) неточно отражает ВJlияние [3 на
свойства металла. Это обусловлено преимущественным развитием
, деформации в приrраничных объемах как в наиболее искаженных
областях. Поэтому детали, работающие при высоких температурах
и наrрузкзх, стремятся изrотовлять из монокристаллов или ,ИЗ
заrQТОВОК, ВЬШ.l1авленных методом направленной кристаллиза.
ции [32]. Положительное влия,Ние на прочностные свойства
в этом случае обусловлено отсутствием rраниц зерен, перпенди-
кулярных }{ направлению действия основных напряжений.
Кроме Toro, при воздействии на поликриста,ллический материал
внешней наrрузки в приrраничных областях соседних зерен
должно быть соrласованное развитие деформации, обеспе-
чивающее отсутствие нарушений СТlлошности. В тех случаях,
коrда имеется предпочтительное направление деформации (при
волочении, сжатии, прокатке и т. п.), будет наблюдаться изменение
формы зерен. Это изменение должно быть соrласованным с coceд
ними зернами. При растяжении, например, все зерна вытяrи
ваются, при сжатии сжимаются. Изменение формы зерен со.
провождается изменением их кристаллоrрафической ориентации,
что приводит К образованию текстуры. Под текстурой понимают
преимущественную ориентацию зерен в поликристаллическом
металле. Тип и характеристики текстуры зависят от вида дефор.
мации, температуры и структурно фаЗ0воrо состояния метаЛJlа,
в частности, от типа erO решетки.
Зависимости ПОЛЮСJiОЙ плотности нормалей РМ1 к плоскостям
rЦК-решетки жаропрочпоrо желез(ншкелевоrо сплава от с:rепеии
о
о
5
10
15
20 25
50 с,%
20
деформации при БэJ/itъцейlННШ f1!!:Н,,;'\С1"3ВJi'lе'юS\\ юЗ' рие, !.! 2, Р!>/{!
характеризует вероятность СОНПi1дений норма,rти !{ ПЛОСКQСТИ (hkl)
В зернах металла с нормалью к плоскости !!сследуемоrо образца,
Рост степени деформации прнв(цит К такой ориентацнн зерен, при
которой крнсталлоrрафнчеСКllе плоскости (110) !i (100) становят :я
l1араллельными IIJЮСКОСТЯlV!И 06р ззца.
Механизмы упрочнения металлов и ,сплавов. Упрочнение ме-
таJfЛОВ и сплавов оБУСЛО8лено торможением ДВИЖУЩИХСЯ ДНСJЮ
каций. Основные механизмы, обеспечивающие торможение дисло-
каций (упрочнение материала), следующие,
1. ВзаимодеЙСТ8ие дислокациЙ меЖДУ собой. ПОЛЯ Напряже-
ний вокруr,скоплений Дислокации, в том ЧИСJ'lе на rранш аХ зерен,
препятствуют движению дислокаций, а при значительной плот-
ности дислокации в скоплениях Moryi прекратить функциониро-
вание источники дислокаций. Кроме Toro, пересечение Дf!ИЖУ
щихся дислокаций I1рИВОДИТ к появлению дислокации, не способ-
НЫХ 1( движению.
2. ВзаимодеЙствие ДИСJ!окаJЩЙ с атомами примесей. Атомы
примесей, являясь точечными дефектами кристаллическоrо стро-
еиия, вносят искажения в решетку металла, TO затрудняет
движение дислокациЙ. В ряде случаев BOKpyr дислокаций обра-
зуются атмосферы из атомов примесей, «вырыванне» дислокации
из этих атмосфер' требует Дополнительных затрат энерrии, т. е.
повышения деформирующих напряжений.
З. Взаимодействие дислокаций с частицами второй фазы.
Локальные поля напряжений BO!\pyr чаСТИI вlfорой фазы пре-
rlЯТСТВУЮТ движению дислокаций. Кроме Toro, эти частицы за
держивают движение дислокаций, находясь непосредственно на
пути их скольжения. Эффективность упрочнения частицами вто-
рой фазы зависит от формы, размеров, распределения их в ма-
трице, а также ОТ типа rраниц между частицами и матрицеЙ.
Таким образом, упрочнения материала можно добиться целе-
направленным воздействием на ero структурно-фазовое состо-
яние и тонкую (дислокационную) структуру.
Влияние температуры' скорости деформирования И вида на-
rружения на механические 'свойства металлов. Механически свой-
ства металлов в тоЙ ИЛИ иной стеllени завнсят от условий испыта.
IШЙ (температуры, скорости деформирования, напряжеЮЮI'О со-
стояния, среды), а также от состояния (структуры, характеристик
IюверХНОСТНОI'О слоя), формы и размеров дета,тш или образца.
А. Ф. Иоффе ОДНИМ нз первых предложил модель, О[1I!сыва.
ющую механические своЙства твердых тел при различных темпе-
ратурах и скоростях деформирования. Соrласно этой модели
СUIlротивт ние отрыну слабо зависит от температуры и скорости
деф( рмирования, а предел текучести снижается с ростом теМI1
ратуры и уменьшением скорости деформирования.
ПQЭТОМУ при малых скоростях испытания или - ВЫСОКИХ TeM
пературах предел текучести оказывается значнтельно ниже со.
21!
противления отрыва, н до раэруmеию; те.fI1З будет rrро",одить 3М3.
чительмое (макроскопически заметное) деформирование. Однако
снижение температуры испытания нли повышение скорости де-
формирования ведут к резкому увеличению предела текучести,
величина которой становится выше сопротивления отрыва. В этих
условиях наступает хрупкое разрушение, протекшощее без макро-
скопически заметной деформации. Таким образом, рост скорости
деформирования и снижеuие темпер a:rypbI ведет к уменьшению
пластичности материала (снижается относительное удлинение,
происходит сужение образца после разрыва, умеНblнается ударная
вязкость).
Экспериментальные данные, в основном, соrласуются с изло-
женными выше представлениями. Так, при переходе от статиче-
, CKoro наrружения (со скоростями деформирования ё порядка IO 4 ."
10 2 CM l) К динамическому (ё 102 CM l) предел текучести увели
чивается (в зависимюстн от состава н термообработки) стали на
50 ... 200 %, медИ на 20 ... 30 %, алюминиевых СП,11авов до 50 %.
При этом предел прочности изменяется меньше: для сталей и меди
Bcero на 10 ... 20 %. Повышение температуры ведет к снижению
предела текучести при одновременном росте характеристик пла
стичности (6, '1', ан). в ряде случаев зависимость предела теl<учести
от скорости деформирования и Тбшературы описывается функ-
цией
ат == k28exp ( R ),
rде k2 постоянный коэффициент; е СКОрОСТЬ деформирования;
Q энерrия активации процесса; R rазовая постоянная; Т
температура.
Повышение температуры деформирования приводит к сниже
мию модулей упруrости, что связано с изменением силы межатом-
ной связи. Однако изменение скорости деформирования практи-
чески не влияет на упруrие свойства металлов, Это объясняется
высокой скоростью распространения упру!'оrо деформирования
в металле, близкой к скорости звука. В то же время известны
факты, коrда некоторые металлические материаJJЫ при очень
низкой температуре сохраняют пластичность (например, никель,
алюминий и др.). у друrих металлов при увеличении скорости
деформирования наблюдается даже повышение пластичности.
Я. Б. Фридман развил схему А. Ф. Иоффе, IIредложив диаr-
раммы механическоrо состояния, В которых учитывается способ
приложения наrрузки.
Для характеристики способа приложения наrрузки вводится
'величина се* tmaxIS ax, rде ima" макснмалыюе касательное
напряжение, обусловливающее пластичеСКQе деформирование и
раЭр,ушение путем среза; S a" максимальное растяrивающее
напряжение, обусловливаЮllJ,ее разрушение путем отрыва. Если
се* » 1, то способ ваrружения ЯЗ.llяет<-,я МЯТ'КИМ Н раЗ8неается
(1.16)
22
значнтепьная ппзстическая деформация. к[ таким способам
'наrружения относятся испытания на твердость вдавливанием,
сжатие под rидростатическим давлением. При а* « 1 способ
наrружения жесткий, при а* 1 средней жесткости. Отметим,
что для испытаний на растяжение а'" 'о=: 0,5; на кручение 0;* "'"
=== 0,8; при осевом сжатии а* ""'" 2. Поэтому неудивительно, что
некоторые литые алюминиевые сппавы и чуrуны, весьма хрупкие
при растяжении, достаточно пластичны при сжатни, а высоко-
ппастичные материалы (мяrкую стапь, свинец и др.) при сжатии
вообще непьзя разрушить. \
Следует отметить, чtо развитые представпения ОТ!ЮСЯ1'СЯ
к материалам со стабипьной структурой. Однако изменение тем-
пературы для мноrих металлов и сплавов при водит к фазовым
превращениям и друrим структурным изменениям, что оказывает
'сильное влияние на их механические свойства. Ситуация еще
больше усложняется, если наrружаемая деталь находится в актив-
ной КОРРО3ИОН!iОЙ среде (см. rл. III).
Более rtодробно особенности пластическоrо деформирования
металлов изложены в работах [105, 108].
1.5. РАЗРУШЕНИЕ
Теоретическая прочность металлов. Расчет теоретической
прочности мет ллов основан на представлении об их разрушении
как о мrновеином разрыве сил межатомноrо взаимодействия !то
плоскости, перпендикулярной к направлению действия внешней
силы (рис. 1.13). Теоретическая прочность равна напряжению,
достаточному для отрыва одной части кристалла от друrой. Для
TaKoro отрыва необходимо совершить работу против сил связи
между атомами. Зависимость этих сил и соответственно напря-
жения, разрывающеrо кристалл, от межатомноrо расстояния )t;
имеет вид, показанный на рис. 1.13. Работа против сил связи
ос>
w"""'fa(x)dX,
'.
(1.11)
т. е. равна площади под кривой а (х) в предепах от х :::::: 'о до
Х == 00.
в первом приближении зависимость а (х) аппроксимируется
rармонической функцией
[ 27t(x ro) J
а """ а тах sin 1. '
( 1.18)
х'де л. длина волны синусоиды (см. рис. 1.13). Тоrда W считается
приближенно равной'
1'.+"'/2
f [2П(% Уо) ]d '"
W == aт ". sin .х == в аmaж.
( 1.19)
11'.
2з
В то же время ПрИ малых деформациях
X To « 1
'0
справедлив закон rук:з, следовательно,
Е (X 'o) 2л(х ,о)
а ;:=: == атах Л '
'0 \
rде Е модуль нормальной упруrости.
Поэтому
ro
6
б
бтах
о
Рис. 1.13. Отрыв ОДНОЙ части
кристалла ОТ друrой при дей.
ствш! напряжения а
Эта работа затрачивается иа
создание двух новых поверхностей,
обладающих удеJIЬНОЙ !10BepXHOCT
ноЙ знерrией Уз. поэтому
1 2'
, a",ax "'''' у..,
(1.20)
откуда
2"811:
($111811: .
(1,21)
х
Значение А. можно оценить следу'
ющим образом. При малых (х 'о)
выражение (1.18) сводится к
211: (х To)
а :=: (J шах 1 (1.22)
(1.23)
(1.24)'
21170
r. """ О'та1l:'
(1.25)
Подставляя данное значение л. в :выражение (1.21), nолучнм
(J тах == ( V:oE ) 1/2 . (1.26)
Очевидно, что значение атах представляет собой теоретическую
прочность мета.Т1ла, поскольку О'тах является тем напряжением,
которое надо I1РИЛОЖИТЬ к кристаллу для ero разрыва. Учитывая,
что "(8 для металлов имеет порядок 1 Дж/м2, Е '"'"' 101). Па, а 'о "...,
,..... 1010 м, получим атеор "'" 3. )010 Па. I
Однако прочность реальных металлов значительно ниже по
величине. Обычно преде./I прочности метаJIЛОВ имеет порядок
108 ... 109 Па. Это заставляет предположить, что разрыв меж-
атомных связей происходит не одновременно по всей плоскости
отрыва, а последовательно. Это возможно, если раЗРУIuение
является результатом продвижения трещины в металле.
Хрупкое разрушение. К хрупким относят разрушения под
действием таких напряжений, величины которых меньше макро-
С.КОПическоrо предела текучести. При этом, очевидно, отсутствует
макроскопически заметная пластическая деформация. Однако
роль дислокаций, их перемещения и соответственно пластическое
24
деформирование в МИН:РОСКОl1ичес!П,х объемах важны при хрупком
разрушении металлов с кристаллической структурой на всех
ero трех стадиях: ! зарожд ние трещин, 1 1 подрастание их
до критическоrо размера, 1 J 1 . необратимый ро.ст трещины
с размером, большим критическоrо (закритическая стадия). На
стадии 111 рост трещины идет за счет запасенной в теле УПРУl'ОЙ
энерrии, поэтому он происходит и при полном снятии внешней
наrрузки, Эта стадия является характерным признаком ХРУПКОf'О
разрушения.
В 20 x rодах rриффитсом было найдено условие необратимOI'О
роста трещины в идеально хрупком теле. В теории rриффитса
рассматривается пластина, подверrнутая действию равномерно
распределенной растяrивающей наrрузки. Упруrая энерrия, за-
пасенная В единице объема,
, 1 1 a
А Т ав "'" Т Е . (11
Если в теле внезапно образуется плоская треrцина диаметром \
2С, расположенная ПОД прямым уrлом к напраВJIению действия
силы, то в зоне трещины будет высвобожщаться упруrая энерrи.я.
Предполаrается, что эта зона имеет линейные размеры порядка
величины С.
При образовании трещины упру:rая энер:rия пластины умень-
шается на величину
w АУ, О.28)
rде V ""'" kзС3 объем зоны разrрузки (эдесь k3 числовой
коэффициент) .
Тоrда
I (Ji
W т ЕkзС3, (1.29)
Однако возникновение трещины влечет за собой появление
новых поверхностей с площаДЬЮ 2nCZ 11 ПОЭТОМУ требует затраты
энерrин
и1 == 2nC21' ,
(1,30)
rде 1, удельная поверхностная энерrия.
Общее изменение энерrии системы при образовании трещины
в таком случае
k a
И* """ и1 w 2:n:C:OY$ Е СЗ. (1,31)
Если
dU"'/dC < О,
(1,32)
то треrцина будет необратимо paCTI1. Поэтому условие перехода
к этой стадии лроцесса разрушения можно найти из ;выражения
dи 3 2'
=:: 4:rty,C Tk E С """ О, (1,33)
25
Т. е.
cr k1l. ( EJ$ Y1! . (1.34)
тде k4, числовой коэффициент (по величине порядка 1), точное
значение KOToporo зависит от формы и размеров зоны рЗЗI'РУЗI<:И.
Друrими словами, если в хрупком теле при напряженин (1
появляется треrцина размером более критическоrо
k2E
СИР""" 7 '\'/1' (1.35)
то эта трещина будет самопроизвольно расти. Обычно значение Скр
порядка 1 мкм.
Соотношения (1.34) и (1.35) хорошо описывают разрушение
идеально хрупких аморфных материалов. Опыты rриффитса на
образцах из стекла подтвердили их применимость. Однако ис
пользование формул rриффитса для металлов с кристаллической
структурой приводит к неудовлепюрительным результатам. При-
чиной этоrо является то, что при росте хрупкой трещины в метал-
лах затрачивается значительная работа на пластическую дефор-
мацию микрообъемов, прилеrающих к поверхности излома. В ча-
стности, пластическая деформация может быть результатом пере-
мещения дислокаций :вблизи вершины трещины, rде напряжени,е
превышает предел текучести. Действительно, в мноrочисленных
экспериментах обнаружены следы пластической деформации в ИЗ-
ломе.
Для учета пластической деформации на стадии необратимоrо
роста трещины Орован предложил видоизменить формулу (1.35),
заменив величину 1'11 на сумму 1'/1 + "'(р (l'р величина энерrии
пластическоrо деформирования). Поскольку в большинстве слу
чаев "\'р на несколько порядков больше по величине 'Уа' то вели-
чиной 1'/1 можно пренебречь по сравнению с 'Ур' При этом выраже-
ние для критическоrо размера трещины
2 (Бур )
С IItР ""'" k4 '""'(jr .
О.36)
Экспериментальные данные хорошо сш'ласуются с результа-
тами расчетов, выполненных соrласно уравнению (1.36).
В отличие от условий (1.35) и (1.36), являющихся энерrетич:е-
скими критериями разрушения, соrласно силовому критерию
локальные напряжения у вершины трещины при разрушении
должны превосходить теоретическую прочность. Для ,трещины
С острой вершиной, радиус кривизны которой близок к 'о, силовой
критерий практически совпадает с у ловием rриффитса. в общем
Са СОр Crp (са СОр Cfp
случае кр;<: кр;С кр кр, кр, кр критические раз-
меры трещин соrласно силовому критерию и условиям Орована
и rриффитса).
в теории rриффитса Рое рассматривается вопрос о зарождении
РУi1КИХ трещин. В настоящее время устаноалено что в процессе
26
.L
.1-
.1-
.1-
..........i "
.1-
.1-
.1-
" а) о) д)
Рис. 1.14. Модели зарождеиия трещин (заштрихованные участки):
а ",од"ль зат"р.."жеIlНО!'О САВ"!'''; 6 .."Дель I(отрзлла; ' разрыв liIanoyrnoBoi!
rраННЦbl
зарождения любых трещин, в том числе и хрупких, решающее
значение имеет пластическая деформация. Существуют и
получили экспериментальное подтверждение мноrочисленные дис-
локационные модели образования хрупких трещин.
По мнению Зинера и Стро, трещина может возникнуть в ре-
зудьтате образования заторможенноrо у какоrо-нибудь барьера
скопления n одноименных дислокаций. При внешнем напряжении
а
'"С;С 2 дислокации сливаются и образуют микротрещину раз-
пn
n2Ь
мерам h """ + (ЬО вектор Бюрrерса). Кроме Toro, в rоловной
части скопления возникает не только высокое касательное напря-
жение, но и большое нормальное растяrивающее (в области под
плоскостью скольжения) напряжение, которое может достичь
теоретической прочности, что приведет к разрыву межатомных
связей и появлению микротрещины (рис. 1.14, а). Модель Коп-
рэлла предполаrает возможность образования трещины в дисло-
кационном скоплении, образующемся при встрече дислокаций,
движущихся по пересекающимся плоскостям (рис. 1.14, б). При
наличии в кристалле малоуrловых rраниц с большой разориен
Тацией (не менее 5<:» возможно образование микротрещины в ре-
зультате сдвиrа, разделяющеrо rраницу на две части (рис. 1.14, б).
Существуют и друп!е модели 118. 37), причем во всех них без
исключения преДПОJJаrается, что в зарождении трещины уча-
ствуют дислокации, которые со.3дают скопления с высокими
локальными напряжениями. релаксирующими путем зарождения
МИiкротрещины. При этом отмечается важное значение тепловых
флуктуаций.
3арождающиеся трещины часто называют субмикротрещинами
(обычно они имеют размеры порядка 1O 1 мкм), В то время как
микротрещины имеют размеры на 1 ... 2 порядка выше. Субмикро-
трещины определеЮiQЙ формы MorYT быть энерrетически ста-
бильными.
, На стадии хрут<О1'О разрушения, КQI'да размер трещины
меньше критическоrо, наблюдается ее медленный рост, причем
'J:1
)l.Л!'f porTa трещины необходимо повышать ПрИJюжеННlое напря-
женне. Процесс роста трещин докритическ:оrо размера. происходит
Лll60 в результате взаимодействия ее с находящнмися вблизи
j\нс./tокацион:ным){ скоплениями. что ПрИБОДНТ 1< «сваливанию)
ДИСJlокаций скопления в трещину, либо в результате притока
вакансий, либо путем поrлощения друснх мнкротрещнн. Наконец,
1<осда размер Трещины достиrает критнческоrо значения, насту-
пает С'rадия: хрупкоrо разрущення '(стадия 111). При этом скорость
роста трещины резко увеличивается н может достиrать более
1000 м/с, О)щако важно, что ЭТа скорость не может l1реЕЫСНТЬ
некоторую предельную величииу. rриффитс считал, что макси-
мальн'ая скорость роста трещины равна скорости распространения
УI1РУТИХ БОЛН В материале (иТIJ """" 103 м/с). Более zю:щние экспери-
ментальные и теоретические оценки f10каэали, что предельная
скорость роста трещины составляет ЗА .., 40 % скорости распро-
странения упруrих води в данном материале. Реальная скорость
роста трещины зависит от конкретных условий разрушения: ОТ
величины I1рИJIоженноrо напряжения, скорости аl'ружени:я, тем-
пературы и пр. (она достиrает близких к предельным значений
при низких температурах, большом запасе упруrой энерrии,
:е условиях динамическоrо наz'ружения:).
Вязкое раЗРУЦ1ение происходит при напряжениях, лревышаю-
щих ма!{роскопическ й предел текучести. Поэтому ВЯЗКОМУ раз-
рушению предшествует значительная пластическаЯ макродефор
мация:. ,в ряде случаев при нспытанин на растяжение раз-
рушение при напряжениях, превышающих предел текучести,
может быть результатом соскальзывания одной части образц.а
относительно друrой (металлы с rП-решеткой) илu очень высокосо
сужения rюперечноrо сечения обраЗIJ.ОВ; ДОСТИj'ающеrо перед
окончательным разделением ]00 % (полнкристал,лы с [ЦК-ре-
шеткон). Иноrда монокристаллы металлов с rЦК-решеткой раз-
рушаются с образованием шейки, вырождающеЙся в линию.
ЭТИ виды IНIЗКОl'О разрушения не связаны с образованием и ростом
трещины. Однако Все же наиболее типичным при испытании на
растяжение является разрушение с образованием шейки конечных
макроразмерО8, ПОЭТОМУ под разрушением можно понимать про-
цесс зарождения и распространения трещины,
Механизмы ВО31iИкновения трещин при вязком разрушении
подобны соответствующим механизмам зарождения хрупкой тре-
ЩИНЫ. Кроме TOf'O, при разрушении металлов с rцк-структурой
микротрещины (мелкие пустоты) возникают вблизи включений
второй фазы. Эти пустоты вначале вытянуты вдоль направления
Iшешнеrо раС'fЯl'ивающеrо напряжения, затем переМЫЧI\Н между
ними разрушаются, 11, наконец, образуется маrистральная тре.
щина в напраВJJении, нормальном к оси растяжения.
ВS/зкое разрушение представляет собой меньшую опаСНОС1'Ь
при использовании мета,nличЕ'СКИХ материалово Это связано с тем,
что 080 развивается с неБОЛЫШiИИ скоростями, а напряжение,
28
необходимое ДЮ1 ero раЗВИТI!Я, преВЫшаеТ
значение предела текучести, используемое при
р,асчетах прочности деталей и КОНСТРУКЦИЙ.
УС1'аJЮСl'иое разрушение_ Мноrие детали
машин испытывают в процессе эксплуатации
действие циклических иаrрузок, нзменяющихся
Jiибо 110 значению (повторные иаI'РУЗКИ), либо
110 значению н знаку (повторно переменные
наrрУЭI<И), Разрушение ЕслеДСТl3ие sоздейс.твия:.
Таких наrрузо!{ называют усталостным. Изме.
н:еине ЦИl<личеСl<оrо напряжения ВО времени
описываете я: ур авнением
cr (t) O't'p + O',,,F и). (1.37)
6
6, k
Lg N
Рас. 1.15, Вид 1\j'H'
nых усталости:
а - пр!! И"J1!IЧlfU фи>
эичес!(о!'о преДеЛ.
nЫНоС'n'Н'-;nСТИ: 6.........
при era DТСУТСТВИИ
rде O't'P среднее напряжение цикла (статическая составляющая);
О'iII ,,- амплитуда цикла; F и) непрерывная периодическая функ-
ция с единичной аМIlJJИТУДОЙ, которую часто аПI1РОКСИМИРУЮТ
синусоидоЙ,
Функция F и) имеет период Т и частоту f "'" I/Т. Разнообраз-
ные случаи циклическоrо наrружения описываются различными
ПО значению и знаку <7ср И аа< Цикл называют симметричным
при ас!> "'" О, в друrих случаях асимметричным.
СОПРОТИВJJение материаЛОЕ УСТ8.лостному разрушению харак-
теризуется кривои зависимости ЧИCoJlа циклов N до разрушения
от максимальноrо напряжения цикда. Кривые усталости обычно
строят в ПОЛУJ!оrарифмических (а 19 N) или лоrарифмических
(lg а 19 N) координатаJС Существуют два основных вида кривых
усталости (рис. 1.15). Одни материалы при напряжениях ниже
определеююЙ' :величины, называемой физическим пределом вы-
НОСЛИВОСТИ, вообще не разрушаются, как бы ни росло значе-
ние N (кривая а, см. рис. },15).
Предел ВЫНОСJ1ИВОСТИ обозначают символом ан, rде R
коэффициент асимметрии цикла, равный отношению минима.1lыюrо
напряжения цикла к максимальному. При симметричном цикле
R "'" 1 и предел выносливости обозначают (1 1' Для друI'ИХ
материалов характерно отсутствие физическоrо предела выносли-
вости: при росте N разрушающее наlIряже}tие непрерывно сни-
жается (кривая б, см. рис. 1.15. На кривых усталости таких матери-
алов часто обнаруживается точка излома). В этом СJжучае вводится
понятие условноrо предела выносливости, paBHoro напряжению,
при котором разрушение наступает только после эаданноrо числа
циклов, назывэемоrо базой испытания.
Отсутствие физичеСl<оrо предела вынос.пивости, очевидно, об-
условлено н:естабильностью структурно-фазовоrо состояния мате-
риала и прежде Bcero ero l1osepXHocTHoro слоя, которая ведет
к снижению' циклическоrо предела текучести (}'!'.I.( с ростом N.
Образцы из OAHOfO и Toro же материала в зависимости ОТ УСJiтН4 ,',
ИСDlЫ1.'IilI:lIНЯ ИОfУТ иметь разднчные по в-иду кривые УС:1JIJ!Л,ОП':Ii.
29'
6 'А В
60 ._ .=------=----=-----=-----=----==
С I D 2 3
/
6т,д E F
I Lf G
6R
6тц
6
'\'... ш JfI
/;
"-
---.. ...........................
NK
19 N
19!J
Рис. 1.16. Схема nО,/lноЙ кривой уста- Рис. 1.11. СтаДIIIИ /!IIноr!)ЦИlКло ()i уста-
JlОСТИ [37]: JlОС1'Ii
1 ЮlаЭlIста,'ыqеСКIli1< IIЭЛО.. С шейкой; 2 ..
I\IЭЛОЦIIКЛОIIЭЯ устэлость; 3 переходная
область; 01 .. IIIi!ОI'ОЦIIКJI!ОВ3Я усталость
в частности, к исчезновению физическоrо предела текучести
приводя! испытания в аrрессивных средах.
Схема кривой усталости, предложенная В. С. Ивановой
и В. Ф. Терентьевым [371, приведена на рис. 1.16. Район orpa-
ниченных долrовечностей (ДО точки О) делится }fa ряд областей.
Точке А соответствует напряжение (1в, при котором разрушение
наступает за первый цикл. На участке АВС разрушение носит
квазистатический характер. Участок CD соответствует началу
собственно усталостноrо разрушения (малоцикловой усталости).
При этом процесс разрушения связан с образованием и продви-
жением при каждом новом цикле усталостноЙ трещины.
Малоцикловая усталость наблюдается при напряжениях, боль-
ших по величине динамическоrо предела текучести (1т. Д' т. е.
предела текучести при данной скорости наrружения. определя-
емой величиной f. При этом уже с первых циклов начинается
макроскопическая деформация детали. В условиях малоцикловой
усталости работают детали, наrружаемые с низкой частотой.
Долrовечность Np при малоцикловой усталости связана с вели-
чиной пластической деформации за цикл .1е следующим образом:
N: d8 == const. (1.38)
rраница между областями малоцикловой и мноrОЦИКЛОБОЙ
усталости обычно находится в районе Nk ,..", 105 циклов. На кривоЙ
усталости при этом наБJlюдается разрыв или переl'нб.
Процесс мноrоцикловой усталости можно разделить (есте-
ственно, с определенной долеЙ условности) на несколько с:тадю1
(рис. 1.17). На стадии 1 начинается размножение и движенне
дислокаций преимущественно в поверхностном слое. Взаимо-
действие дислокаций приводит к формированию различных дисло-
кационных скоплений. В металлах с высокой энерrией дефектов
упаковки (Vд. у 1O 2 Дж/м2) образуется ячеистая структура,
ко!орая трансформируется затем в структуру вен, представля-
ющую собой переплетающиеся и ветвящиеся жrуты прямолиаеЙ1-
I:IЫХ дислокаций (18]. На поверхности образца образуются JШНИl:l
30
сколь.жения, 'которые объединяются и формируют полосы СКОЛЬ
женю!. Внутри УСТОЙЧИВЫХ полос скольження, не УСТРl1няемых
при удалении nOBepXHocTHoro слоя толщиной в несколько микрон,
наблюдается интенсивное необратимое разупрочнение (динамиче-
СЮ!lЙ Бозврат). Поэтому предельно упрочненному до нача.rха испы-
таний материалу при приложении циклических наrрузок свойст-
венно разупрочнение. В друrих случаях наблюдается деформаци-
онное упрочнение с последующим плавным разупрочнением. На
поверхности образца, в месте выхода полос скольжения, обра-
зуются экструзии И интрузии. т. е. микроскопические выступы и
впадины. Механизм их происхождения окончательно не установ-
лен: предполаrаются и дислокационные, и вакансионные модели.
Стадия 1 J характеризуется образованием субмикротрещин.
При этом обычно наблюдается стабилизация интеrральных меха-
нических свойств материала. К настоящему времени предложены
мноrочисленные модели зарождения трещин. Ряд из них был
рассмотрен ранее. Особую rруппу представляют моделн, связы-
вающие образование субмикротрещин с экструзиями и интру-
зи мн. Например, считается, что экструзия появляется не только
бла'rодаря продольному движению слоев материала в устойчивой
п6лосе скольжения, но и в результате ее сужения. Это приводит
к возникновению растяrивающих напряжении между полосой .
скольжения и матрицей, и су6микротрещина появляется в ре-
зультате отслоения полосы от матрицы. Трещины Moryт заро-
ждаться также на интрузиях с острой вершиной при воздействии
высокю!: растяrивающих напряжений в слое под интрузией.
При высоких температурах или больших напряжениях тре-
щины MoryT зарождаться на rраницах зерен, двойников и блоков,
81 13 сплавах с выделениями вторичных фаз на rранице выделе-
ний вторичной и матричной фаз.
Усталостные субмикротреЩИН I зарождаются преимущественно
в поверхностном слое образца. Этому предшествует локализация
пластическоrо деформирования и появление вблизи поверхности,
в ра-йоне пересечения ее с областями повышенноrо деформирова-
ЮIЯ, локальных источников внутренних напряжений. Трещина
зарождается вдоль плоскости с максимальными' касательными
напряжениями (т. е. ПОД yrJlOM, близким к 450, к ма'ксималыюму
растяrив.ающему напряжению). В образцах с упрочненным по-
верхнюстным слоем трещины часто возникают на rранице матрицы
'и улрочненноrо слоя.
СуБМИ:I<ротрещины с ростом N увели ивают свою дл'ину В ре-
зультате индивидуальноrо роста и слияния соседних субмикро-
трещин.
Стадия 111 (стадия устойчивоrо роста усталостных трещин)
, начинается тоrда, коrда субмикротрещины превращаются в МИI<ро-
трещины, выходящие за пределы зерна. С этоrо момента трещина
меняет направление CBoero движения и переходит в плоскость,
перпендикулярную к rлавным нормальным напряжениям. Ппа-
31
стическэя дефОj:ппщия лон:аJfизуется В узком З0не у ее вершины,
fAe резко увеличивается плотность дислокаций. На этой ст дии
наблюдается ухудщение механических своЙств материала"
Рост микротрещины ОПi1сывается законами механики разруше-
. .
ния. В простеишем приближении скорость роста трещины
зависит от !J!ЭЩJяжения с1 и длины трещины 1 следующим образом
dl С .
"',"",..,
dN ЛУ · ,
(1. .39)
l'Ae 'пl и 11"1 коэффициенты, заБИСЯЩIЮ: ОТ ус,лови:й ИСrlытаНИ$[
и "HjTepl1 '!l!a.
Однако выражеиие (1.39) не учитывае'1' особенностей НIШРЯ-
жешюrо СОСТОfiНИЯ у :вершииы трещины. Более точным является
уравнение
dl ..... A1(Wi!
dN "'" У;р и ,
(1
rде и т коэффициенты, зависящие 01' УСJШ8ИН испытания
11 материала; АХ размах I<оэффицие:нта интенсивности напря-
жения, определяемоrо rеометрией трещины и величиной при-
Jюженной иаrрузки. Значение постоянной 111 для разных' мате-
риалов и условий испытания обычно лежит в интервале 1 т б.
Скорость роста трещины на этой стадии чаще Bcero имеет
порядка lО З 000 10 4! М!ЦИКЛ
. Стадия наступает тоrда, коrда размер трещины (или точнее
коэффициент :интенсивиости напряжений) дос:тиrает крнтическоrо
знаqения Образец при этом доламывается за один или неСIЮДЬКО
ЦИКЛОВ"
Отме"rим, что при напряжениях Быше О'То!! i!I металл!.'; всеr:да
ннежот место структурные изменения: рост плотности дислокаций,
образование полос скольжения н субмикротрещни. Если IJ <
< IJN,'I'O эти субмикротрещины ие развиваются, Знаqение 1J'f.11
Н8!1\1ШОI'Q ниже О'т. М' т. е. пластичное деформирование при ЦНЮ.Ш-
leCI{OM наrруженнн протекает при меньших напряжении:!!:, чем
при СТ8тичесжшм. Если напряжения ниже цшкличеСК:ОfО предела
УПрУI'ОСТИ G'l. I ' ТО с'rруктуриые изменения Б. металле НОСЯ11i"
обратимый харю{тер,
ВJlIнп-ше раЭJIИЧНЫХ Фаi!t1i'ОрОiВJ на IIJJреJ!е:ЛI'IЫИ(lстIO!i.\:щ 'r
ПРОТИ8,/))еfше усталости оказывают значительное iВJШШ-Iие
работы (И:Сl1lытания) детали. Обычно flредеJ: БЬШОСЛНI'.ЮСТИ при
ИЗfибе Jзыше, чем при растяжении сжатии; в условиях чистоrо
сдвиrа ОН имеет м:юшма"r!ыюе значение. При ДЭJПЮМ ::ншцении
мак:симальноrо напряжения цикла С1тах сопротивление усталос.ти
ПОВЫI1н:lется с pOCTOЪiI среднеrо напряжения (}С[> И коэффициента
асимметрии. Обычно сопротивление усталости повышается с ро-
стом характеристик прочностн и пластичности (0111, C1'i!1' мате-
З2
Если изменение температуры не вызывает фазовых и структур-
ных превращений в металле, ero выносливость с повышением
температуры непрерывно снижается. Следует также учитывать,
что при высоких температурах статическая составляющая цикла
О'СР вызывает ползучесть материала, что ПрИБОДИТ к снижению ero
сопротивления усталости.
Влияние частоты наrружения на предел выносливости метал-
лов достаточно слабое. Увеличение ее от 101 до 104 [ц вызывает
небольшое увеличение предела выносливости (на 10 20 %), что
в основном обусловлено повышением скорости деформации. Однако
при анализе влияния частоты наrружения на усталось следует
учитывать, что при высоких частотах наrружения температура
образцов может существенно повышаться, особенно из материалов
с низкой теплопроводностью. В то же время при низких частотах
наrруженин усиливается влияние окружающей среды, поскольку
резко увеличивается время испытаний.
Сопротивление усталости зависит также от размеров образцов'.
С увеличением размера образцов предел выносливости монотонно
сни}!<ается, но при больших размерах (;с 102 мм) для этоЙ зависи-
мости характерно насыщение. Влияние м:асштабноrо фактора
на сопротивление усталости обусловлено несколькими причинами.
Во-первых, при увеличении абсолютных размеров образцов не-
избежно возрастает неоднородность их состава и струI{ТУРЫ,
имеющая технолоrическое происхождение. Во-вторых, при испы-
,тании крупных' образцов может увеличиться скорость распро-
странения трещины из-за большоrо запаса упруrой энерrии,
особенно при значительной податливости наrружающей системы,
Наконец, даже в rеометрически подобных образцах не выпол-
няются условия подобия в статистическом распределении дефек-
тов: вероятность присутствия опасноrо дефекта возрастает с уве,.
личением размера образца.
На предел выносливости материала существенное влияние
оказывает ero взаимодействие с окружающей средой. При про-
ведении испытаний в аrрессивных средах (и даже на воздухе)
сопротивление усталости может резко снижаться. При этом
предел выносливости слабо зависит от механических (прочно-
стных) свойств металла, но растет при повышении ero коррозион-
ной стойкости. При работе в аrрессивной среде меняется вид
масштабноrо эффекта: более крупные образцы имеют более высо-
кую выносливость.
2 Сулим/О А. ,"". ji др
fJIABA
2
ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ
ДЕТАЛЕЙ
2.Й. ШЕРОХОВАТОСТЬ И ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
в процессе изrотовления и эксплуатации детали на ее поверХd
насти возникают неровности в слое металла, прилеrающем к ней,
изменяются структура, фазовый и химический состав. В детаю!
возникают остаточные напряжения.
Наружный слой детали с измененными структурой, фазовым
и химическим составом по сравнению с основным металлом, из
KOToporo ИЗI'отовлена деталь, называется поверхностным слоем.
Внешняя поверхность слоя rраничит с окружающей средой или
с сопряженной деталью. I
В поверхностном слое (рис. 2.1) можно выделить следующие
основные зоны:
зону 1 адсорбированных из окружающей среды молекул и ато-
мов орrанических и неорrанических веществ (например, воды,
СОЖ, растворителей, промывочных жидкостей), ее толщина
1 ... 102 нм;
зону 2 продуктов химическоrо взаимодействия метаJIла с окру-
жающей средой (обычно оксидов), толщиной ,"",,10 3 '" 1 мкм;
rраничную зону 3 толщиной в несколько межатомных paccTod
япий; металл в этой зоне вмеет иные, чем в объеме, кристалли-
ческую и электронную структуры;
зону 4 с измененной структурой, фазовым и химическим со-
ставом, она возникает в процессе изrотовления и эксплуатации
детали, ее толщина обычно ",,0,01 ...0,1 мм.
Неровности на поверхности детали, структура, фазовый и хи-
мический состав поверхностноrо слоя влияют на ее физико-хими-
ческие и эксплуатационные свойства.
Поверхностный слой оказывает существенное влияние на
надежность работы детали, узла и машины в целом. При эксплу-
атации поверхностный слой детали подверrается наиболее сильd
ному физика-химическому воздействию. Разрушение детали
в большинстве случаев начинается с поверхности (например,
развитие усталостной трещины, износ, эрозия, коррозия).
Взаимосвязь поверхностноrо слоя с физико-химическими и
эксплуатационными свойствами детали показана на рис. 2.2.
Идеально правильную поверхность нельзя получить с помощью
какоrо-либо метода обр ботки. Реальная поверхность детали.
34
несоверroенна: суждение о сте-
пени несовершенства зависит
от масштаба рассмотрения.
Можно рассматривать отклоне-
Ю1Я 01' rеометрической пра-
ВИЛЬНОСТИ повер ХНОС'fи макро-.
микро- И субмикроскопическоrо
порядка.
Макроrеометрические отклонения рассматриваются на боль-
ших участках реальной поверхности детали (они характеризуют
ее точность), микрor'еометрические отклонения на малых уча-
Рис. 2.1. Схема поверхиостноrо слоя
детаJlИ:
1 адсорбированна.я &она; 2 зона ОКСН'..,
;ЦОВ: 3 rрэннчная зова MeTa JJQ; 4 зона
МетаЛJIi:l с t!змене.нноЙ С1"РУ1-ПУРОЙ1 фаэ.Оl!ЫМ
}а X:HMI 'qeC1HIM COCT3 OM; 5 ОСНОВНОЙ lbН Ф
о/ JЖЛ
l7aBepxHocтHbiiJ uюu
HepolJHocтu поlJерхностu
Шерохо
батость
{рубые
оефекты
поВеРХНDсти
80ЛНUС
тость
j
2
J
4
5"
i/етали
ФU3Uf(о ХИМИ'fеское состШlНuе
поt!ерхностноёО слоя
Структура
rpазо8ый
состаВ
Химический
состаВ
U3Uf(О ХUМUЧЕские c80ucтIJo по8ерхностносо слоя
[ : ЭксплуатаЦИОННЫЕ сfjойстlJа оеталu I
, ф
-
([Jизuческuе ХUМUЧЕСКUВ
. .......... ' r'".'''
Механuчвскuе
"'"' '" >с '"
:::, "'"' CL t:::J.() <..; '" t::
-с < :;:; :::, :t: t:: t:
S \..; \..;
-с :t: < :t: '-' ::::, I,j
"" "" "" t:!:-c "<::> '-'
Е:: S <;::, IS 1:)[:: "'" <u
:t: <:> ::::, :J- "О':::' :j"<::> )
'" r% :J- t.:: '" ::t(j t::: . :j "'''''' :::, C::J
<:> :::, :t: t:::> S
'" S '" <:>,S , '" t: t:: 1:) t:
:J- :::, CL "'" \..; <;::,
'" :t:C) ") с) "с i}
t:j E:: S ;:,,;
"" t:::: '-'
t:::: n-,
Рис. 2.2. ВзаимосзSlЭЬ nOBepXИI.iC1'!iOrO слои с эксплуатационныRR свойствами
де-rмей
2'"
35
стках реальной поверхности с ДЛИНОЙ стороны квадра'rа 10 m ...
101 мм. Совокупность неровностей поверх,НОСТИ на этой длине
принято называть шероховатостью поверхности.
rеометрические отклонения поверхностей различают также
в зависимости от отношения длины шаrа S к высоте неровностей Н:
при s: Н > 1000 имеют место микроскопические отклонения
или отклонения от правильной rеометрической формы (конусность,
овальность, BorHYTocTb и др.), при s: Н == 50 ... 1000 вол
нистость поверхности и S : Н < 50 шероховатость поверхности
(рис. 2.3).
В о л н и с т о с т ь п О В е р х н о с т и ,совокупность пери-
одически повторяющихся неровностей, расстояние между кото-
рыми значительно превышает их высоту. Волнистостью поверх-
ности считают неровности с шаrом 1 ... 10 мм. Высота неРОВlfЬстей
волнистости и высота шероховатости практически одинаковы,
отношение же длины шаrов к высоте неровностей раЗJШЧНО.
Волнистость занимает промежуточное положение между откло-
нением от правильной rеометрической формы и шероховатостью
повер хности.
Волнистость определяется в перпендикулярном сечении по-
верхностей, исключая при этом шероховатость и отклонения
rеометрической формы. Волнистость может образоваться на по-
верхности детали при изrотовлении (технолоrическая волнистость)
вследствие вибраций из-за недостаточной жесткости системы
станок приспособление инструмент заrотовка, rеометриче-
ских, кинематических и динамических поrрешностей процесса
обработки и в процессе эксплуатации машины (эксплуатационная
волнистость). Технолоrическую волнистость подразделяют на
поперечную (расположение волн перпендикулярно движению
режущеrо инструмента) и продольную (волнистость совпадает
с направлением движения инструмента).
Ш е р о х о в а т о с т ь п о в е р х н о с т и это совокуп-
ность неровностей с относительно малыми шаrами, образующих
рельеф поверхности. Шероховатость поверхности после механи-
ческой обработки это rеометрический след режущеrо инстру-
мента (металлическоrо или абразивноrо), искаженный в результате
пластическоrо и упруrоrо деформирования и сопутствующей
процессу резания вибрацией технолоrической системы станок
приспособление инструмент заrотовка.
Причинами, обусловливающими видоизменение и }iскажение
OCHoBHoro rеометрическоrо профиля, являются также копирование
микронеровностей рабочих кромок резца и абразивных зерен,
образование зубцов нароста и адrезионные налипы на обработан-
ной поверхности заrотовки; деформирование материала' заrотовки
после хода режущеrо инструмента и друrие технолоrические
факторы, определяющие условия механической обработки (зазоры
во вращающихся деталях станка, несбалансированность их и др.).
Режущий инструмент разрушает на СБоем пути разнообразно
36
расположенные зерна MeTak
ла; некоторые из них, име
ющие соответствующую ори-
ентацию, срезаются, друrие
разрушаются отрывом с об
разованием мельчайших Tpe
щин в поверхностном слое
заrотовки.
rеометрические характе-
ристики неровностей тесно
связаны с физико-химиче-
скими процессами разруше
ния металла при обработке
резанием. Так, шероховатость поверхности при обработке
хрупких металлов представляется в виде треуrольных уrлублений,
отвечающих форме вырванных зерен; в вязких металлах при
больших скоростях резания сильно деформированные неровности
имеют форму чешуек.
Параметры волнистости. Волнистость поверхности до насто-
ящеrо времени в СССР не стандартизована и при ее назначении
руководствуются отраслевыми нормалями ИЛи рекомендациями
Института машиноведения АН СССР.
Числовые значения высоты волнистости следующие:
Рис. 2.3. Макроrеометрия, волни,
стость И шероховатость поверхно-
сти:
а профиль поверхиости; б шеро-
ховатость; 8 ВОJlИИСТОСТЬ; 2 мзкро-
rеометрия
Класс волнистости .
Предельная высота вол-
ны, мкм . . .
.
} l_''' _''_'_1
mw
tw
6)8J
z)
----1
II Ш IV V VI VH VШ IX
2 4 8 16 32 64 125 250
Для оценки волнистости поверхности установлено три пара
метра: высота волнистости Wz (высота волны), наибольшая высота
волнистости Wmax И средний шаr волнистости Sw (рис. 2.3).
Высота волнистости Wz среднее арифметическое значение
из пяти значений высоты неровностей, измеренных на длине
базовой линии, равной не менее пятикратноrо наибольшеrо шаrа
волнистости
5
Wz == + Wt. (2.1)
: ' I
Числовые значения высоты волнистости Wz выбирают из ряда:
0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200 мкм.
Наибольшая высота волнистости Wшах расстояние между
наивысшей и наинизшей Точками профиля волнистости, измерен-
ное на одной полной волне в пределах базовой длины lw.
31
СреДf!НЙ Шаr ЕОJНШС,ОС,.l Sw среднее арифметическое эна
челне расстояний SW'i между одноименными сторонами соседних
БОЛН, измеренных по средней линии профиля mw в пределах
базовой ДЛИНЫ, '
п
Sw "- L SW!'
i 1
Средний шаr :волнистости для деталей с КРУ1'ЛЫМ сечением
может быть выражен в уrловыХ единицах.
Параметры волнистости отсчитывают от средней линии про-
фиш! И базовой .линии ВОJШИСТОСТИ.
Средпян линия профиля волнистости mw имеет форму номи-
иальноrо профиля и делит профиль волнистости таким образом,
что в области участка измерения ["НУ сумма квадратов расстояний
(Yl' !:Jz, .,.., !:Ji) точек профиля волнистости до этой линии наи.
меньшая (см. рис. 2.3).
Базовую JНШИЮ БОJН!НС'I'QСТИ ПрОБОДЯ'f ЭlКвидистан1'НО средней
тппш ПРОфИJlЯ. На практике ИСПОJIЬ3УЮТ высоту волны и ее шаr.
В ряде отраслей промышленности волнистость оценивается
только по высоте ВОЛНЫ. Так, при шлифовании колец !10ДШИПНИ
КОВ качения (диаметр 18 ... 120 мм) класса Н (класса О) БОЛНИ-
СТОСТЬ составляет 40 "0 110 % шероховатости, а 110 классу С
(4 5 й классы) 15 ". 60 %,
Методы и средства изме,реtШЯ 80JНН!СТОСТИ пооерХНОС1'и', Ка.
чественная оценка ВОЛНИСТОСТИ поверхности осуществляется визу-
ально, по краске, по оттиску на бумаrе и друrими способами
с опреде.пен:нем ДЛИНЫ шаrа ВОJ'iИЫ и числа :волн, ПРИХОДЯЩИХСЯ
на длину ОКРУЖНОСТИ,
ДЛЯ количественной оценки ВОЛНИСТОСТИ используют вол:но
ч}афы (с эаписыо профилоrраммы) и волнометры, приборы ДЛЯ
измерении ОТК,lюнения формы и шероховатости поверхности (KpYI'-
ломеры, нрофш:юrрафы, ПРОфИ.rIоме.ры). Схемы l1риборов ДЛЯ
flэмерения параметров ВОЛIЩСТОСТИ показаны на рис. 2.4 [63],
Наиболее расщ)(), rрЭ!н.'1:iЫ кон'нштные щуrювые .еолнометры
н :ВОJJНоrрафы (рис, 2.4, а ж). ИсrlO.I1ЬЗУЮТСЯ также и беСКШl*
такт:ные БОJ1lюме1'рЫ: оптические, пневматическне и др. Механи-
чеекие !1риборы (рис. 2А, С/._ы..е, е) являются наиболее простыми
по I\fШСТРУ!ЩИИ, НО точность измерения их оrраничена. Опти
ческие (РНС. 2.4, з) и комбинированные волнометры с механо*
ОПТJ.!I.еСI\ОЙ (рис. 2.4, ж) и мехзно-элею'рическоiЙi (рис. 2.4, д)
сис'rем: ми измерения обладают большей точностью.
При определении волнистости измеритель прибора базируют
на измеряемую и ЭТ8J10шrую поверхность IIJ1Н на ось КОНТРОJlИРУф
емой де'rаJШ.
При базировании на измеряемую поверхносТl. исключается
ПО1'реш!-!ость установки детали! НО В ВОJlНоrрзмму вносятся иска
жени:я, зависящие ОТ c:xe ы расподожения измерителя и опорных
(2.2)
$
i '
-
Ф$
б) 8)
'f
J
е}
[)1I 10 9 (j
1
I
J
'/11)
Рис. 2.4. Схемы приборов для Ilзмерення волни,
стости
/; //
з)
точек, конфиrурации и размера опор, характера измеряемоij
волнистости, эксцентриситета и овальности измеряемой дe
тал/,!.
Эти приборы рекомендуются для ориентировочных измерениЙ
волнистости после черновых операций.' \
Приборы, базирующиеся на плоскую (см. рис. 2.4, а) или
цилиндрическую (см. рис. 2.4, б, в) поверхность, состоят из опоры
в виде плиты 1, части кольца (рис, 2.4, б) или призмьr
(рис. 2.4, в) и индикатора 2. При боры со стационарной призмой
называются трехконтактными, они просты по конструкции, вы-
сокопроизводительны. В профилоrрафах-профилометрах 201 и 202
(заВОkизrотовитель «Калибр», см. рис, 2.4, е) в качестве базы
измерения применен эталон прямолинеЙности в виде пластины .1
из металла или стекла. Измеритель 2, перемещаясь по направля-
ющим 3, щупом контактирует с измеряемой поверхностью, а на-
конечником 4 с пластиной 1, фиксируя профиль волнистости
относительно базы пластины 1. Точность измерения этими
приборами . выше, чем приборами с базированием на измеряемую
поверхность, но первые превосходят вторые по сложности.
39
Схема автоколлиматора Т A 80 и Т А-82 приведена на рис. 2.4, ж
[63]. Луч света от источника 1 через конденсор 2, разделитель-
ную пластину 3, сетку 4, объектив 5 попадает на зеркало б, свя-
занное со щупом 7, отражается через второй объектив 8 и, про-
ходя через щель в пластине 9, попадает на фотоэлемент 10, вклю-
ченный в записывающий блок 11, Преимуществом таких приборов
является возможность измерения волнистости на поверхностях
значительной протяженности (несколько метров).
Приборы для измерения волнистости с базированием в цен-
трах (см. рис. 2.4, е) просты, но имеют низкую точность измере-
ния. Поrрешность измерения в этом случае обусловливается
поrрешностями формы поперечноrо сечения центров 1, центровых
отверстий детали 2, поrрешностями системы деталь центр
измеритель, Аналоrично измеряют волнистость втулок и колец,
надеваемых на оправку. Для повышения точности измеритель
устанавливают на эталонные поверхности.
На рис. 2.4, д приведена схема прибора с вращающимся
измерителем. Преимущество ее малая и практически постоянная
наrрузка на' вращающийся шпиндель, недостаток оrраничен-
ность измерения удаленных сечений детали, например, валов.
Шире возможности измерения вращающейся детали, но масса
детали оrраничена.
Оптический волномер основан на интерференции света
(см. рис. 2.4, 3). ОТ источника 1 луч света через линзу 2, полу-
прозрачную пластину 3, отражаясь от зеркала 7, падает на эта-
лонный конус 4 и измеряемую поверхность 5, отражаясь от кото-
u (
рои, попадает в окуляр 6. Расщепленная часть луча интерферирует
с отраженной. Форма интерференционных колец тем больше будет
отличаться от окружности, чем больше волнистость контролиру-
емой поверхности втулки. Приборы универсальны, обладают
высокой точностью, но эффективны при контроле поверхностей
'с высокой отражательной способностью.
Для измерения волнистости после чистовых и доводочных
операций следует применять круrломеры как наиболее точные
приборы, а после черновой и получистовой обработки , приборы
с базированием на центра и измеряемую поверхность. Длина
участка измерения определяет объем информации о волнистости,
трудоемкость контроля, размер и тип прибора, Полный спектр
волнистости получают измерением всей длины поверхности, как
например, при контроле поперечноrо сечения поверхностей вра-
щения.
Волноrраммы на круrломерах заlIисывают на электротерми-
ческую бумаrу в виде диаrраммноrо диска диаметром 114...
178 мм, шириной зоны записи 28 ... 50 мм. Некоторые круrломеры
имеют устройство для записи профилоrрамм в прямолинейной
системе координат, позволяющее контролировать волнистость
плоскостей. Методика расшифровки и анализа волноrрамм при-
зедена в работе [63].
40
Влияние волнистости на параметры поверхностноrо слоя и
эксплуатационные свойства. Образование волнистости в процессе
обработки заrотовки оказывает влияние на силу резания и тем..
пературу в зоне контакта инструмента и заrотовки. Например,
при I.UJшфовании алмазным KpyroM АСО 80/63 51100 заrотовок
из стали 45 увеличение биения Kpyra на 20 мкм повышает, во
впадине волны состаВ.lIяющие силы резания на 22... 30 % и
контактную температуру на 180 ... 200 ОС, т. е. на 23... 26 %
[63 J. Наибольшее увеличение температуры происходит во впадине
волны. Характер изменения температуры и толщины срезаемоrо
с.IIоя в первом приближении совпадают.
Процесс волнообразования, характеризующийся периодиче-
ским изменением силы и температуры в зоне резания, сопрово-
ждается неоднородностью изменения параметров и свойств по..
BepxHocTHoro слоя детали.
Шероховатость волнистой поверхности во впадинах больше,
чем на вершинах. При круrлом шлифовании шероховатость во
впадинах на 20 ... 30 % больше, чем на вершинах [84]. Неодно-
родность шероховатости с течением времени обработки увеличи..
вается. Увеличение шероховатости во впадине волны оказывает
влияние на аэро- и rидродинамические свойства поверхности,
коррозионную стойкость, сопротивление усталости. Уменьшение
шероховатости на вершинах волн повышает износостойкость
и контю(тную жесткость поверхности сопряrаемых деталей.
Ь1икротвердость волнистоrо поверхностноrо слоя после меха..
нической обработки также неоднородна. Шаr неоднородности
соответствует шаrу волны. Наибольшие увеличения микротвер..
дости и ее неоднородность наблюдаются во впадине. Наличие
волнистости на поверхности влияет на величину и характер
распределения остаточных напряжений в поверхностном слое.
С ростом высоты волны увеличивается rлубина залеrания и аб..
солютная величина сжимающих остаточных напряжений, а rлу-
бина и величина растяrивающих напряжений снижаются.
Неоднородность физико"химических свойств поверхностноrо
слоя влияет на эксплуатационные свойства детали больше, чем
волнистость. Волнистость поверхности оказывает существенnое
влияние на несущую способность деталей машин.
Волнистость снижает схватывание трущихся, поверхностей.
Впадины «аккумулируют» смазочный материал, и время до на-
ступления схватывания увеличивается по сравнению со временем
до схватывания трущихся поверхностей без смазочноrо мате.
риала. Так, образцы без волнистости со смазочным материалом
(закаленная сталь У!О, Ra == 0,6 мкм) работали до наступления
схватывания 11 мин, а образцы с волнистостью высотоЙ волны
10 мкм 23 мин, Время наступления схватывания без смазочноrо
материала было соответственно 2 мин и 40 с [84 J.
В большинстве случаев волнистость поверхности ухудшает
физико-химическое состояние поверхностноrо слоя, а следова-
41
тельно, и эксплуатационные свойства деталей и узлов машины:
снижает точность посадки, отражательную способность поверх
НОСТИ, rерметичность сопряrаемых поверхностей.
Основным источником образования волнистости при механиче-
ской обработке является вибрация системы станок приспособле-
ние, инструмент зar'отовка, поэтому для снижения волнистости
следует применять станки высокой точности и обеспечивать
надежную иХ виброизоляцию. Существенное В.lIияние на волни-
стость поверхности оказывают технолоrическая наследственность,
метод обработки, точность установки детали, точность режущеrо
инструмента 11 режимы обработки.
Параметры шероховатости. Шероховатость поверхности при:'
нято опреде,ТlЯТЬ по ее профилю, который представляет собой ли-
нию пересечения поверхности плоскостью, перпендикулярной
к направлению неровностеЙ. При этом профиль рассматривается
на длине базовой линии, относительно которой определяются
и оцениваются параметры шероховатости поверхности. В реко-
мендации ISO приняты две системы отсчета высот неровностей:
системы 1\1 и Е. В системе М отсчет высот неровностей произво-
дится от средней линии профиля, а в системе Е отсчет высот не-
рОВНОС1ей производится от оrибающей линии неровностей по-
. верхности, Систему Е наряду с системой М используют для начала
О;I'счета параметров неровностей в стандартах rдр, ФРr, Швей-
царии и др. стран.
В СССР при стандартизации шероховатости поверхности за
основу принята система отсчета М, в которой при определении па-
раметров ПРОфИЛЯ отсчет высот неровностей производится от
средней JШНИИ профиля. Средняя линия профиля это базовая
линия, имеющая форму номинальноrо профиля и делящая реаль-
ный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов
отклонений профиля от этой линии минимальна.
Базовой длиноЙ 1 называют длину базовой линии, используе
мой для выделения неровностей, характеризующих шерохова-
тость поверхности, а длину поверхности, на которой ,оценивается
значение параметров шероховатости, называют длиной оценки L.
Она может содержать одн.у или несколько базовых 'длин l.
Линию, эквидистантную средней линии и проходящую через
высшую точку профиля в пределах базовой линии, принято назы
вать линией выступов профиля. Линию, эквидистантную средней
линии профиля и проходящую через низшую точку профиля в пре-
делах базовой линии, называют линией впадин hрофиля.
Для нормирования и оценки шероховатости поверхности из-
вестно около 30 параметров. Основные из них приведены на рис. 2,5.
Расстояние между линией выступов и линией впадин профиля
в пределах базовой длины представляет собой наибольшую BЫ
соту неровностей профиля Rшзх.
Расстояние от средней JlИНИИ профиля до высшей точки BЫ
ступа называется высотой выступа профиля УР' а расстояние от
42
!!
х
Рис. 2.5, ПРОфИJlЬ шероховатостн поверХНОСТJI и ero параметры
средней линии профиля до низшей точки впадины rлубиной
впадины профиля УII' .
Значительное распространение для оценки шероховатости по
верхности деталей в машиностроении получили такие параметры,
как высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, среднее
арифметическое Ra и среднее квадратическое Rq отклонения
ПРОфИЛЯ.
Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz определяется
как среднее расстояние между находящимися в пределах базовой
ДЛИНЫ высот пяти наибольших выступов Урт. И rлубин пяти наи
больших впадин профиля Уот.:
t
[ 5 "]
Rz == + I Урт. I -+ I Уот, I ·
(2.3)
л'де Урт, высота i-ro наибольшеrо выступа профиля; Y!1Jni -,
I'лубина i-й наибольшей впадины профиля.
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra - среднее
арифметическо'е абсолютных значений ОТк,/IонениЙ профиля: в пре-
делах базовой длины 1:
I
1 J
Ra == т I у (х) I dx
о
(2.4)
или приб.lIиженно
1'1,
Ra ....!... "\'! I у, 1,
п! k.I !
{"",I
(2.5)
{'де У. отклонение профиля, определяющее расстояние между
точкой реальноrо профи.lIЯ и средней линией ПРОфШIЯ; п.1 . ЧИ(:,/JЮ
:выбранных точек на базовой ДJПше, ,
4!з
Среднее квадратическое отклонение профиля Rq определяется
как квадратный корень из квадрата средних значений отклонения
профиля в пределах базовой длины:
Rq == ( + j y2(x)dx
о
(2.6)
или приближенно
... f 1'1,
Rq == V t Yl(x).
' 1
(2.7)
Длина отрезка средней линии профиля, содержащая выступ про
филя и сопряженную с ним впадину профиля, называется шаrом
неровностей профиля.
Средний шаr неровностей профиля Sm это среднее значе-
ние шаrа неровностей профиля в пределах базовой длины:
п.
Sm == n Smp
' I
(2.8)
rде nз число шаrов в пределах базовой длины.
Шаrом местных выступов профиля называется длина отрезка
средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек
соседних местных выступов профиля. Средним шаrом местных
выступов профиля S называется среднее значение шаrов местных
выступов профиля (по вершинам выступов) в пределах базовой
длины
1'1,
S == J.... s.
n. L..J "
' 1
(2.9)
rде n. число шаrов неровностей профиля по вершинам в пре
делах базовой длины.
Длина профиля Lo это длина, получающаяся, если все BЫ
ступы и впадины профиля, находящиеся в пределаХ базовой
длиньi, вытянуть в прямую линию. '
Относительная длина профиля [о это отношение длины
профиля Lo к базовой длине 1:
10 == Loll.
,(2.10)
На мноrие эксплуатационные свойства деталей (износостой-
кость, контактную жесткость и др.) большое влияние оказывает
фактическая поверхность соприкосновения деtали с сопряженной
44
деталью узла машины. Эта величина с известным приближением
может быть оценена опорной длиной профиля.
Опорная длина профиля lр определяется суммой длин отрез-
ков, отсекаемых на заданном уровне р выступов профиля, линией,
эквидистантной средней линии в пределах базовой длины:
n,
lр == 1: bi,
1 1
(2.11)
rде Ь, длина отрезка, oTceKaeMoro на выступе профиля.
Для сопоставления размеров опорных поверхностей, обра-
ботанных различными методами, удобно пользоваться понятием
относительной опорной длины профиля tp, определяемой отно-
шением опорной длины профиля к базовой длине
1 n,
р 1
[р == Т 100% == --т k..J bil00%.
l l
(2.12)
Приведенные термины и определения основных понятий по
шероховатости поверхности соответствуют rOCT 25142 82 и
rOCT 2789 73. rOCT 2789 73 устанавливает требования к ше-
роховатости поверхности детали независимо от метода ее полу-
чения или обработки (литьем, прессованием, резанием, электро-
физической обработкой и др.).
Для количественной оценки и нормирования шероховатости
поверхностей стандарт устанавливает шесть параметров: три
высотных (Ra, Rz, Rmax), два шаrовых (Sm, S) и параметр отно-
сительной опорной длины. профиля ир). Численные значения
высотных и шаrовых параметров приведены в rOCT 2789 73.
Относительную опорную длину профиля t выбирают из ряда:
10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 %. Численные значения
уровня сечения профиля р от Rmax выбирают из ряда: 5, 10, 15,
20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 %.
Кроме количественных параметров, ранее рассмотренных,
rOCT 2789 73 устанавливает типы направлений неровностей
повер:j{НОСТИ и условные, обозначения их на чертежах.
rOCT 2789 73 не распространяется на шероховатость ворсистых
поверхностей, например, на шероховатость деталей из фетра.
UПероховатость оптических деталей реrламентируется
rOCT 11141 84, а древесины rOCT 7016 82.
.в соответсцши с rOCT 2789 73 и rOCT 2.309 73 шерохо-
ватость поверхности на чертеже детали указывают в виде число-
Boro значения (наибольшеrо, номинальноrо или диапазона -зна-
чений) параметра и значений базовой длины, на которой проис-
ходит определение параметра. При необходимости конструктор
может дополнительно устанавливать требования к направлению
неровностей поверхности, к методу или последовательности мето-
дов обработки и к методу измерения шероховатости (рис. 2.6).
45
Соrласно rOCT 2.ЗО9 7З
дЛЯ обозначения шероховатости
поверхности на чертежедеталн,
в зависимости от метода ее об.
разования, применяют следу.'
ющне знаки:
V метод образования
поверхности не устанавливается
(основной знак);
\! шероховатость еЮ..
верхности образована снятием
Рис. 2.6. Структура обозначении ше- припуска на обработку (точе-
роховатости на чертежах нием, фрезерованием, сверле-
нием, шлифованием, полирова-
нием, травлением, ЭХО и т. "');
шероховатость поверх;ности образована без снятия
припуск'а на обработку (литьем, ковкой, прокатом, прессованием,
волочением и т. п.).
На чертеже детали значение :параметра шероховатости Ra
указывают без символа, например, 0,5; для остальных параме-
тров :после соответствующеrо символа, например: Rmax 0,5;
Rz 25; 3т. 0,50; 3 0,025; tso '=' 70 (относительная опорная длина
профиля tp '=' 70 % при уровне сечения профиля р == 50 %).
Если необходимо нормировать требования к шероховатости
поверхности с указанием диапазона значений параметра, в обо-
значении шероховатости приводят пределы значений диапазона,
100
размещая их в две строки, например: 0:63 (Ra от 1,00 до 0,63);
Rz : (Rz == 0,80 ... 0,32); Rmax : (Rmзх == 0,80 ... 0,32);
tr,o.== 80::1:: 10 % (при р == 50 %, tp == 90 ... 70 %).
Имеющиеся на поверхности детали отдельные дефе!<ты (рако.
вины, вмятины, царапины и т. п.) при измерении шероховатости
не учитываются.
Методы I!I средства измерения шероховатости 110верхносl'И:.
Оl\еика шероховатости поверхности может осуществляться ка-
чественными и количественными методами. Качественные методы
оценки основаны на сравнении обработанной поверхности с об-
разцами шероховатости поверхности. Количественные методы
оценки основаны на измерении микронеровностей специальными
приборами.
К а ч е с т в е н н ы е м е т о Д ы о Ц е н к и ш е р о х о в а.
т о с т и: п о в е р х н о с т и. Контроль шероховатости поверхно-
сти путем сравнения со сtандартными образцами (rOCT 9378 75)
ИЛИ с аттестованной деталью пр ост и широко распространен
1:] Щ:JЗЮ'нке. При ЭТОМ KOHTPQlle СРЮ:Н'Пi'Вf!ЮТ шероховатость 110.
46
Параметр (параметры)
шерахаfJатасти
па roст 2789-73
6 ,,"'
Вид аораоатки
паfJерхнасти и (иr1И)
друеие дапаr1нитеr1Ь.
ные указания
О Папка знака
r БазаfJая даина
па rОСТ27ВiНЗ
Усаадные
tаоазна ения
напраlJr1ения
нераднастеи
/
VI
верхности проверяемой де-
тали с поверхностью образ-
ца, изrотовленноrо из Toro
же ма,териала и обработан
Horo аналоrичным способом.
Сравнение производят визу-
ально невооруженным rла-
зом или осязанием, проводя
HorTeM поперек следов обра-
ботки. Этот метод обеспечи-
вает оценку параметра шеро-
ховатости поверхности до
Ra == 5 ... 0,63 мкм.
Для более чистых по-
верхностей с шероховатостью
Ra == 0,32 ... 0,08 мкм сли-
чение микронеровностей про-
веряемой детали с эталоном
производят с помощью специ-
альных микроскопов срав- Рис, 2.7. Оптическая схема микроскопа
пения. сравнения
Оптическая схема микро-
скопа сравнения ЛИТМО по-
казана на рис. 2.7. Луч света от источника 1 проходит через освети-
тельные линзы 2 к светоделительному кубику 3. Один луч (пучок)
проходит, не изменяя cBoero направления, через объектив 4,
диафраrму 5, отражается от поверхности эталонноrо образца 6,
снова проходит диафраrму 5 и объектив 4, отражается в кубике 3
и проходит через окуляр 7. Друrой луч (пучок), отразившись
в кубике 3, проходит через объектив 8, диафраrму 7 и, отразившись
от проверяемой поверхности детали 9, снова проходит диафраrму 7,
объектив 8, кубик 3 и окуляр 10. Диафраrмы 5 и 7 установлены
так, что одна из них закрывает правую, половину поля зрения
микроскопа, а друrая левую половину. Таким образом, в оку-
ляр микроскопа можно наблюдать одновременно проверяемую
поверхность детали и поверхность эталонноrо образца, располо-
женные рядом, что значительно облеrчает их СРilвнение. Микро-
скоп сравнения ЛИТМО имеет увеличение 70Х и поле зрения
1,7 мм. Он обеспечивает надежную оценку шероховатости поверх-
ностей до Ra == 0,04 ... 0,02 мкм и может быть применен для
цеховоrо контроля.
Микроскопы сравнения друrих типов имеют сменные объек-
тивы и окуляры, позволяющие изменять увеличение в пределах
15 ...200 раз.
Количественные методы измерения ше.,
р о х о в а т о с т и п о в ер х н о с т и. Шероховатость поверх-
ности деталей измеряют бесконтактными и контактными мето-
дами.
1f
10 I
з
2 1
"
" "
, r
-
,, ,
-.:' ,
9
41
а)
о)
<
р". 2.8. И"'.,,,... "'Р"
ховатости поверхности ме.
тодом cBeToBoro сечения:
а схема cseTOBoro сечения;
б оптическая схема Двой,
Horo микроскопа MHC.II;
в общий вид Двойноrо ми-
кроскопа МИС-II
:/ ;;;-
Наибольшее распространение для бесконтактных Jf меrений
шероховатости получили оптические приборы С13етов()!'о сечения
(ПСС) и с применением интерференции света (МНИ), .
;\1етод CBeTOBoro сечения профиля неровностей поверхности
был впервые предложен в 1929 r. академиком В, П, Линником.
Сущность метода заключается в следующем. При освещении про
веряемой поверхности наклонным плоским пучком лучей,
(рис. 2.8,. а) на поверхности образуется узкая освещенная по-
JlOCKa. которая представляет собой след пересечения измеряемой
поверхности плоскостью cBeToBoro потока. Так как проверяемая
поверхность имеет неровности, то линия пересечения плоскости
cBeтoBoro пучка проверяемой поверхности является кривой, сле-
дующей по всем поверхностным неровностям, попавшим в сече-
ние. Рассматривая освешенную ПОJЮСКУ под некоторым уrлом
48
наклона к проверяемой поверхностн, можно, измернв ее отклоне-
ние от прямолинейности, определить величину поверхностных
неровностей.
Приборы, построенные по этому принu.ипу, называются Двой-
ными микроскопами: микроскопы МИС-!! системы В. П. Линника,
микроскопы псс.
Прибор мне 11 представляет собой систему из двух микроско-
пов: проекти р УЮШ,еrо (ero иноrда называют осветительным) И
микроскопа наблюдения. Оптическая схема прибора показана
на рис. 2.8, б. Проектирующий микроскоп состоит из лампочки 9,
защитноr'о СП'КJIЭ 8. двухлинзовоrо коллектора 7, u.ИЛИНДРИ1!е-
екаЙ щели 6. (ширина 0,1 мм, длина 7 мм), зеленоrо свето-
фильтра .5, ахроматических линз 4 и 2, смеиноrо объектива 8.
Микроскоп наблюдения световой IЮЛОСЫ на измеряемой поверх-
ности детали состоит из ОКУJIярноrо винтовоrо микрометра 1
и доrrОJшительной линзы 2. В обоих микроскопах применяются
napfIble объективы В. К прибору Ь1ИС-J 1 ПрИJIаrаются четыре
пары сменных объскпнюв с раЗJШЧНЫМ фокусным расстоянием.
Внешний ВРД прнбора МИ(;-' I покззан на рис. 2.8, в. Он имеет
осносанре 7. R котором за!{реll,rн: на .копонка 1, На колонке с по-
мощью i'аЙкн 4 реремещается кронштейн 2. На вертикальных
напрзвляющнхкронштейна находится корпус 5, в котором закреп-
лен микроскоп 3 и ОСЕетительныЙ тубус 9. Проверяемые детали
устанаВJIИваются на ('ТOJJe б Tai\' !(эк оптические оси микроскопа
и осветитетl наКJЮ[Н,Ч\Ы пОД уrл<>м 15" к проверяемой поверхности,
то высота микронерпнностеЙ увеJfИЧIfвается в 1,41 раза больше,
чем их ТШIС
Высоты IIерпвностей нзмеРЯIQТ с помощью окулярноrо микро-
метра 8ЫСОТЫ [!ЯТ!1 R/,IСТУПОВ Н впадин '[JРОфИ,7JЯ. Значение пара
метра Rz ВЫЧIIС.11ЯIОТ 1>0 формуле
Rz , т11 + h .. h :. h7 + hg) (h2 + h4 + h6+h8 + h1(1)]' (2.13)
rде '1,,, 1!:I' lt1i" А'I !! h!l '"о. высоты выступов; 112, h4, 6' h8. h10 вы-
соты впадин !1еровнпстей; с цена де,l1ения окулярноrо микро-
метр а
с ""'" пa/2k,
(2.14)
rде п " число делений шкаJ1Ы объе.кт микрометра; а - .- цена
делеНlНI объект-микрометра *; k соответствующее ему число
деJIt'!1НЙ барабана окулярноrо микрометра,
Приборы CBeTOBOr() сечения ПО'lВОJJЯЮТ измерять шерохова-
тость поверхности до Rz 0,63 мкм.
Шероховатость поверхности измеряют также методом интер-
ференции света. Интерференцией называется явление сложения
011 Объект. микрометр (стеклянная пластина с нанесенной на ней точной шка.
лой) устанавливае1'СЯ на стод микроскопа 1IЛЯ сличения со шкалой оку,/!ярноrо
микромртра,
49
ДВУХ или иескольких KorepeHTHblX колебаний, поляризованных
по одному направлению; при этом интенсивность результирую
щеrо колебания отличается 01' суммы интенсивностей состав-
ляющих.
Колебани'я KorepeHTHbI в том случае, если они имеют одинако
вый период (одинаковую длину волны) и постоянную разность
фаз. Образовавшаяся в результате сложения двух KorepeHTHbiX.
волн результирующая волна имеет тот же период, что и слаrаемые
колебания, и отличается одна от друrой амплитудой и фазой.
Если колебания обеих волн расположены в одной плоскости, то
в зависимости от разности фаз волны с одинаковой амплитудой
при взаимодействии либо усилятся, либо ослабятся или даже
совсем уничтожатся, так как расстояние отдельной колеблющейся
точки от положения равновесия равно сумме положительных или
отрицательных расстояний ОQеих составляющих.
Винтерференционных приборах используются исtочники света,
в которых излучение возникает в результате термическоrо воз- .
буждения атомов и молекул. Каждый центр TaKoro источника
света излучает серию KorepeHTHbIx волн определенной длины,
причем волны, выходящие из различных центров источников, каи;
,правило, HeKorepeHTHbI, имеют' различную длину волны и их
колебания совершаются во всех плоскостях.
Для получения в интерферометрах двух KorepeHTHblX rрупп
волн пучок лучей разделяют на два пучка. При этом должно со-
блюдаться следующее условие. Оба пучка света должны исходить
ИЗ одной и той же точки источника света; длина хода всех лучей
от точки их расхождения до точки их соединения ДО,lIжна быть
одинаковой. Полученньiе таким образом два KorepeHTHbIx пучка
света находятся в таком состоянии, коrда при определенной раз
ности хода возникает явление интерференции. Если разность хода
равна половине длины волны или нечетному числу :половин длин
А 3 5 /
волн, т. е. 2' 2 Л, 2 Л, то колебания поrасят друr друrа.
При разности хода, равной длине волны или целому числу длин
\ волн, т. е. л, 21.., 31.., колебания усилят друr друrа и интенсивность
света удвоится. Интерференционная картина наиболее контрастна
при разностях хода, близких к нулю, и исчезает при разности
хода, равной длине волновой rруппы.
Применяемые в нашей :промышленности интерференционные
микро копы для измерения шероховатости поверхности построены
по :принципу двухлучевой интерференции и называются двух-
лучевыми интерферометрами.
Интерференционный метод измерения шероховатости поверх-
ности впервые был применен В. П. Линником. Сущность микро-
интерференционноrо устройства заключается в том, что объект
рассматривается в микроскопе и одновременно на изображение
проверяемой поверхности накладываются интерференционные по-
лосы, по искривлению которых судят о распределении неравно-
50
стей, При это сама по-
:верхиость участвует
в образовании интер-
ференционной картины.
Для изм рения па-
раметра шероховатости
:поверхности в пределах
0,8 ... 0,03 мкм приме-
НЯЮТ микроинтерферо-
метры МИИ-4, МИИ-5,
МИИ-9, МИИ-I0 и
МИИ-12.
Ми кроинтерферо-
метр МИИ-4 двух-
объективный прибор,
. предназначен для визу-
альной оценки, измере-
ния и фотоrрафирова-.
иия высоты неровностей
тонко обработанных на-
ружных поверхностей
деталей (рис. 2.9).
Проверяемая по-
верхность 'освещается
белым и монохромати-
ческим светом. Увели-
чение при визуальном наблюдении 500Х, при фотоrрафировании
290Х, поле зрения 0,32 мм.
Оптическая схема микроинтерферометра МИИ-4 приведенана
рис. 2.9. Луч света 1 проектируется конденсором 2, между
линзами KOToporo установлен светофильтр, в :плоскость аппер-
турной диафраrмы 3. Объектив 5 через полупрозрачную плоско-
параллельную пластину 8 проектирует изображение диафраrмы 3
на плоскость зрачков входа двух одинаковых микрообъективов 7
и 10, а изображение диафраrмы 4 в бесконечность. Объективы 7
и 10 проектируют вторичные изображения диафраrмы 4 на про-
веряемую поверхность 6 и на плоское зеркало 11. Для уравнива-
ния длины хода в стекле обоих интерферирующих пучков лучей
служит плоскопараллельная пластина 9. Отраженные от зер-
кала 11 и проверяемой поверхности 6 пучки лучей снова про-
ходят микрообъективы 7 и 10 и с помощью полупрозрачной пла-
стины 8 направляются на объектив 13, который дает в фокальной
плоскости окуляра 12 изображение проверяемой поверхности
и систему интерференционных полос на ней, возникающих в тех
местах поверхности, rде разность хода двух интерферирующих
пучков лучей равна целому числу полуволн.
Каждая интерференционная полоса соединяет точки поверх-
ности с одинаковой разностью хода интерферирующих лучей.
51
6 1}7
7 2 3 't 5 I 8 9 17
[ V J I J /
TT ;'1
, ).,
t' 13 /
,\.. , 12
:r:;
-----i,1----
1
.,I
,} то /\
, /" '\"
/
16
Рис. 2.9. Оптическая схема М\lкроинтерфероме.
тра МИИ-4
\
Если бы контролируемая поверхность была идеально плоской и
rладкой, то на ней возникли бы прямые параллельные интерфе
рени.ионные полосы. Наличие на поверхности микронеровностей
вызывает изменение хода лучей и искривление полос. Интерфе-
ренционные полосы воспроизводят микропрофиль I<онтролируе
Moro участка поверхности с большим увеличением. Высоту не-
ровностей определяют измерением винтовым окулярным микро
метром. Наблюдаемая в окуляр интерференционная картина
может быть сфотоrрафирована с помощью объектива 15. Лучи,
прошедшие через объектив 15, отражаются от зеркала 17 и фор
мируют действительное изображение в плоскости 16. Зеркало 14
при этом выводят из оптической системы.
Ми кроинтерферометр МИИ-9 однообъективный двухлуче-
вой интерференционный микроскоп. Пределы измерений шеро-
ховатости поверхности Rz == 0,8 ... 0,2 мкм; увеличение при
визуальном наблюдении 500Х, при фотоrрафировании 125Х; поле
зрения 0,35 мм. Прибор работает в белом и монохроматическом
свете. Наименьшая высота неровностей, которую можно изме-
рить на приборе, составляет 0,026 мкм. Прибор отличается от
МИИ-4 более резкой и яркой интерференционной картиной.
Микроинтерферометр МИИ-I0 отличается от предыдущих мо-
делей тем, что на нем дополнительно можно производить измере-
ния микронеровностей иммерсионно-решшковым методом в моно-
хроматическом свете. На этом микроинтерферометре контроли-
руют не проверяемую поверхность, а ее отпечаток (реплику)
на прозрачной пленке. '
Сочетание иммерсионно-репликовоrо метода с двухлучевой
интерференцией позволяет измерять шероховатость поверхности
Rz == 20 ...0,2 мкм. Этим способом можно измерить шероховатость
внутренних и труднодоступных участков поверхности деталей.
Цена деления интерференционной полосы определяется зави-
симостью
).
с =="2 n2 nl
(2.15)
rде л длина волны света, мкм; Па; n1 показатели преломле-
ния пленки и иммерсионной жидкости.
Соответствующим подбором иммерсионной жидкости, входя-
щей в комплект приборов, можно получить цену деления интер-
ференционной полосы 10 мкм И более. Например, если л ==
== 0,589 мкм (для желтой линии), n] == 1,449 (для силиконовоrо
масла), Па == 1,506 (для кинопленки), то с == 5,2 мкм.
Микроинтерферометр МИИ-12 предназначен для измерения
шероховатости поверхностей с произвольным расположением не-
ровностей. Пределы измерения высот неровностей Ra == 0,8 ...
0,03 мкм. Длина обрабатываемоrо участка заrотовки 0,25 мм.
В приборе используется специальная спектральная насадка,
устанавливаемая вместо окуляра. Это позволяет из, общеrо изобра-
52
жения измеряемой поверхности выделить узкий участок, который
затем развертывается в спектр. В поле зрения прибора наблю-
дается как бы серия профилоrрамм, записанных В разных масшта-
бах, уменьшающихся от фиолетовой цолосы к красной.
Для определения шероховатости поверхности наибольшее
распространение нашли щуповые приборы. Контактно-щуповые
приборы работают по методу ощупывания проверяемой поверх-
НОС!fИ алмазной иrлой, их называют также щуповыми приборами.
К этой rруппе приборов относятся: профилометры, непосред-
ственно показывающие среднее арифметическое отклонение про-
филя поверхности Ra, и профилоrрафы, записывающие профиль
поверхности.
Алмазные иrлы к профилометрам и профилоrрафам имеют
коническую форму с закруrлением' при вершине. Радиусы за-
круrления иrлы должны быть 10"'2 мкм, для профилоrрафов
повышенной точности допускается применение иrл r == 2+2 мкм.
Небольшое осевое перемещение иrлы можно увеличить механи
ческим (механические профилоrрафы фирмы «Иоrансон»), оптико-
механическим (оптико-механические профилоrрафы К. Л. Аммона
и Б. М. Левина) или электромеханическим рычаrом (профило-
rрафы и профилометры завода «Калибр»).
Профилоrрафы электромеханическоrо типа более точны и
удобны в работе. Все щуповые электромеханические профило-
метры и ПрОфИJIоrрафы различают по принципу работы датчика.
Существуют следующие профилометры и профилоrрафы:
электродинамические у которых иrла жестко связана с ка-
тушкой, колеблющейся в поле постоянноrо маrнита (профилометр
Аббота, профилометр Киселева КВ7, ПЧ-2 и др.);
индуктивные у которых якорь жестко связан с иrлой и пе-
ремещается относительно неподвижных катушек (профилометр
профилоrраф «Калибр-ВЭИ», «Тейлор rобсон» (Анrлия) и др.);
электронные представляющие собой электронную лампу
(механотрон) с неподвижным электродом (обычно анодом), на
выведенном из баллона конце KOToporo укреплена иrла (профило-
метр мод. 253 завода «Калибр»);
пьезоэлектрические у которых в качестве чувствительноrо
элемента используется пьезокристалл .(cerHeToBa COJIb или тита-
нат бария); профилометр ДБ, «Филипс» (rолландия), «Брюэль'
и Кьер» (Дания).
Отечественная промышленность выпускает следующие щупо-
вые приборы: профилоrрафы-профилометры мод. 201, 202, 252
и профилометры мод. 240 и 253.
Все профилоrрафы и профилометры можно подразделить на
профилоrрафы высокой точности с поrрешностью передаточно о
отношения до ::1::5 % и средней точности с поrрешностью переда-
точноrо отношения до ::1:: 1 О %; профилометры высокой точности
с поrрешностью передаточноrо отношения до ::1::7 % и с поrреш-
ностью показаний до ::1::10 %; средней точности с поrрешностью
53
передзточноrо отношения до :i:: 10 % и поrрешностью покаэаний
до :i:: 16 %; оrраниченной ТОЧНОСТи с поrрешностью rrередаточноrо
отношения до :i:: 16 % и поrрешностью показаний до 25 %. '
Под передаточным отношением понимается отношение показа
ния прибора (профилометра или профилоrрафа), отсчитанноrо
по шкале или взятоrо по профилоrрамме, к значению задаваемых
иrле перемещений, выраженных соответствующим параметром
шероховатости.
Поrрешность передаточноrо отношения профилометра бп BЫ
Ra Ra'
числяют по формуле бп == Ra' . rде R.a . показания I1рОфИ-
лометра; Ra' среднее арифметическое значение задаваемых
иrле перемещений.
Под поrрешностью показаний профилометра понимается раз-
ность между показаниями прибора на исходном образце с pery-
лярным профилем и действительным значением параметра N,a
шероховатости образца. Поrрешность, %, показаний профило-
метра б вычисляют по формуле
б == Ra Rao 100 .(2.16)
Rao '
rде R.a значение, определенное по показаниям прибора; RaQ
истинное значение параметра.
. Измерение шероховатости поверхности до Ra == 5 ... 0,04 мкм
производится по параметру Ra. Для Ra == 5 ... 0,01 мкм произ-
водится также запись неровностей в виде профилоrраммы, по
которой можно определить числовые значения параметров Rz, Ra
и друrих.
И з м е р е н и е пар а м е т р о в ш е р о х о в а т о с т и п о в е р х-
н о с т и м е т о Д о м слепков. Метод слепков применяют для
оценки шероховатости поверхностей, у которых невозможно опреде.
лить с помощью приборов (детали больших размеров, внутрен-
ние поверхности в rлубоких отверстиях, каналах и друrие трудно-
доступные поверхности). Сущность метода состоит в том, что
специально приrотовленную массу с силой при кладывают к измеря-
емой поверхности. После застывания масса леrко отделяется от
поверхности, на на поверхности слепка повторяются неровности,
имеющиеся на исследуемой поверхности. Измерив шероховатость
поверхности слепка, можно определить параметры шероховатости
провер яемой повер ХН ости .
Слепки можно изrотовлять из целлулоида, леrкоплавких
сплавов, воска, цапон-лака, парафина, серы, rипса-хромпика,
масляной rуттаперчи и др. Наилучшую воспроизводимость дают
слепки из масляной rуттаперчи и воска. Масляная rуттаперча
при наrре13ании ее. до 89... 90 ос становится пластичной, что
позволяет получить форму тончайших контуров поверхцости.
Исходными материалами для изrотовления массы являются:
rуттэперча 45 %, минеральное масло (трансформаторное)
54
35 %, нефтяной битум
марки У 20 % (приме- В
яют как связующий Ma
териал).
Влияние методов и ре-
жимов обработки на ше-
роховатость поверхности.
На шероховатость поверхности оказывают влияние мноrие
факторы: режимы резания, rеометрия инструмента и ero износ,
саж, жесткость и вибрации системы станок приспособле-
ние инструмент деталь; физико-химические свойства материа-
лов детали и режущеrо инструмента. Эти же факторы определяют
механотермическое и химическое воздействия на металл в зоне
резания, а следовательно, и степень деформации в ней. Таким об
разом, зная зависимость шероховатости от технолоrических фак-
торов, можно проrнозировать и технолоrически обеспечивать
заданную шероховатость поверхности. Например, с увеличением
подачи в основном возрастает сила резания и повышается тем-
пература контактных поверхностей, при которой увеличивается
износ инструмента, ухудшается шероховатость поверхности. С уве-
личением силы резания пластическое деформирование будет охва-
тывать все большие объемы металла в срезаемом слое и ниже
линии ср за. Увеличение объема r;ластически деформированноrо
металла в зоне резания ухудшает шероховатость обработанной
поверхности.
Установлены следующие закономерности влияния отдель
ных технолоrических факторов на шероховатость поверх-
ности.
Выбор скорости резания определяется требуемой стойкостью
режущеrо инструмента и требованиями к точности и шерохова-
тости обрабатываемой поверхности. При обработке заrотовок
из обычных конструкционных сталей на низких скоростях реза-
ния, при которых нарост не образуется, получают меньшую
шероховатость; при повышении скорости резания до v == 20 ...
30 м/мин высота микронеровносте!% возрастает. При таких ско-
ростях наблюдается максимальное образование нароста и ero
устоЙчивость. Дальнейшее повышение скорости резания приво-
дит К уменьшению нароста и высоты неровностей обработанной
ПОl;'!ерхности. По данным А. Д. Макарова, в зоне скоростей реза-
ния за пределами образования нароста высота неровностей мала
и дальнейшее повышение скорости резания на нее влияет незна-
чительно (рис. 2.10, а).
Рис. 2.10. Изменение шерохо-
ватости поверхности от скорости
и подачи при точении:
а сталь XBr; 6 сталь
18ХН24ВА; 1 v 85 м/мин; 2
v == 130 М/МИН
RZ,MKM
RZ,MKM
24
6
4
2
а
V,f1/f1UH а
а,М S,f1f1/o6
б)
ва
16а
а)
55
2.1. epOXOBaToeTЪ поверх о т и ТQч оет& поеле различных
методов обработки
I Точность по квалитету
I Эltономичная I достижимая
Методы обработки
Значение
параметра Ra.
мкм
Оl'роrание: I
чериовое 12,5 ... 25 12 ... 14
чистовое , 3,200.6,3 11 ... 13
Фрезерование:
цилиндрической фрезой:
черновое 25 ." 50 12 ... 14
,чистовое 3,2 ... 6,3 11 6
1'орцевой фрезой:
черновое 6,3 ... 12,5 12 ... l4
чистовое 3,2 ... 6,3 11 6
Точение с продольной подачей: i
получистовое 6,3 ... 12,5 12 ... 14
чистовое 1,6 ... 3,2 7 ... 9 6
тонкое (алмазное) 0,4 ... 0,8 6 5
Сверление: I I
до 15 мм 6,3 ... 12,5 12 ... 14 10
св. 15 мм 12,5 ... 25 I 12 ... 14 10
Зенкерование:
черновое 12,5 ... 25 12 ... 15
чистовое 3,2 ... 6,3' 10 .., 11 8
Растачиванне:
чеРНОБое 50 о.. 100 15... 17
чистовое 1,6 ... 3,2 8... 9 7
тонкое (алмазное) 0,4 ... 0,8 7 6
Развертывание: I
получистовое 6,3 Н' 12,5 9 ... 10 8
чистовое J,6 ... 3,2 7 ... 8
тонкое 0,4 щ 0,8 7 6
Протяrивание:
1l0лучистовое 6,3 8... 9
чистовое 0,8 ... 3,2 7 ... 8
Шлифование круrлое плоское:
чистовое 0,8 ... 1,6 6... 8
тонкое 0,2 '0' 0,4 5...7 Выше 5
.................... ............... ..... ......... ,
53
ПРОДОJJжение табл. 2.1
Значение Точность ПО Rвзпнтету
Методы обработки \ параметра [-(а, I
мкм Э!{ономнчиая I д.остижимая
I
Притирка: 0,4 ... 3,2 6... 7
чистовая
тоикая 0,1... 1,6 5
По,/lирование: 0,2 н. 1,6 6
обычное
тонкое ! 0,05... 0,1 5
Доводка: I
средняя 0,1 ... 0,2 5,..6 5
тон кая I 0,05 5 Выше 5
отделочная (зеркальная) 0,012... 0,025
Хонинrование
0,05 ... 0,4
6...8
/' Суперфиниширование
0,1 ... 0,4
5 и точнее I
Подача является важным параметром режима резания, влияю-
щим на производительность процесса обработки. С увеличением
подачи высота неровностей поверхности возрастает (рис. 2.10, б),
однако, с уменьшением подачи высота неровностей поверхности
снижается не беспредельно. Значения малых подач, зависящие от
величины радиуса режущей кромки r, при которых шерохова
тость практически остается постоянной, составляют 0,03...
0,09 мм/об, поэтому уменьшать подачи ниже нецелесообразно,
так как это будет сопровождаться снижением производительности
и снижением периода стойкости инструмента.
fлубина резания в пределах 0,5 ... 2,0 мм не влияет на высоту
неровностей, так как она С,lIабо влияет на температуру резания,
усадку стружки и rеометрические размеры нароста.
, Шероховатость поверхности может изменяться вследствие раз-
и \
,личия СИJI адrезии и условии трения на поверхности контакта,
а также вследствие различной способности инструментов сохра-
нять форму режущей кромки. Различное адrезионное взаимодей.
ствие твердых сплавов с материалом обрабатываемой заrотовки
влияет на усадку стружки, коэффициент трения и силы, действую-
щие на заднюю поверхность инструмента.
Имеются теоретич-еские и эмпирические форму.лы. устанавли-
вающие взаимосвязь Toro И.11М иноrо параметра шероховатости
поверхности с основными техноло:rическими факторами.
51
Шероховатость поверхности при шлифовании сниж ется
с уменьшением продольной и поперечной подач абразивноrо Kpyra,
с применением выхаживания и СОЖ, Большое значение имеет
также правильный выбор характеристик абразивноrо Kpyra
ero зернистости, материала, твердости и структуры связки, ре-
жима и реrулярности правки инструмента.
При электрохимической обработке шероховатость поверХ!-IОСТfI
зависит от плотности тока, состава электролита и величины меж-
электродноrо зазора.
Значения параметров шероховатости поверхности, получае
мые после различных методов обработки, приведены в табл. 2.1.
2.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ IJОВЕРХНОСПJюrо СЛОЯ
Физико-химическое состояние поверхностноrо слоя (струк-
тура, фазовый и химический состав) в основном определяю'F уп-
руrо пластическим деформированием, местным HarpeBOM и хими-
ческим взаимодействием обрабатываемоrо металла в зоне резания
с материалом режущеrо инструмента и окружающей средой.
При внедрении режущеrо инструмента в обрабатываемый
металл, волна пластическоrо деформирования, распространяясь
впереди резца, охватывает не только срезаемый слой, но и ме-
Талл, расположенный впереди резца и за линией среза (рис. 2.11)..
Режущая кромка, резц не является rеометрической линией,
а представляет Н'екоторую поверхность, и металл вновь образо-
ванной поверхности у самЬй режущей кромки подверrается воз-
действию нормальной сжимающей силы и силы трения, действую-
щей в направлении линии среза. Нормальная сила будет вызы-
вать деформацию сжатия, а сила трения деформацию растяже-
ния поверхностноrо слоя, прилеrающеrо к задней rрани резца.
Таким образом, в процессе резания поверхностный слой детали
подверrается неоднородной пластическоЙ деформации, монотонно
затухающей по rлубине.
Деформационное упрочнение поверхностноrо СЛОЯ. Пластиче-
ское деформирование сопровождается структурными изменениями
в: металле поверхностноrо слоя. В кристаллической решетке
резко возрастает количество дислокаций, вакансий и друrих де-
фектов решетки. Происходит
дробление зерен на фраrменты и
блоки с уrловойразориентацией.
Изменяется форма и размеры
зерен, у поверхности они из
мельчаются и вытяrиваются,
ориентируясь в направлении
v
Рис. 2.11. Схема образования поверх-
HOCTHoro слоя при резании:
t rлубина резания; r радиус кривиз-
ны. ыl rJlубииа иак.п па
58
силы деформирования (при ЭТОМ возможно формирование тек-
стуры). '
При / пластическом деформировании около 10 % затраченной
энерrии' поrлощается металлом, из них 98 % составляет энерrия
искажения кристаллической решетки. Внутренняя энерrия де-
формированноrо металла возрастает, материал переходит в не-
равновесное состояние.
Упруrоп.тrастическое деформирование в процессе механической
обработки изменяет структурно-чувствительные физико-химиче-
екие свойства поверхностноrо слоя металла по сравнению с исход-
ным ero состоянием. В деформированном поверхностном слое
возрастают характеристики сопротивления деформированию; из-
меняются характеристики прочности при длительном ст тическом
и циклическом наrружении в условиях' ВЫСОКИХ температур;
снижаются характеристики пластичности (относительное удлине-
ние и сужение); повышается твердость, хрупкость (уменьшается
ударная вязкость), внутреннее трение; уменьшается плотность.
В результате пластическоrо деформирования металл упроч-
няется. Прирост сопротивления деформированию с увеличением
степени пластической деформации называется деформационным
упрочнением или наклепом,
Дислокационный механизм пластической деформации и про-
Цессов упрочнения описан в rл. 1.
В процессе механической обработки в зоне резания возрастает
температура. Температуры (0,25,н 0,3) Тип вызывают возврат
деформированноrо металла поверхностноrо слоя, а температуры
Выше 0,4TIJ]J! рекристаллизацию, сопровождаясь частичным или
полным снятием деформационноrо упрочнения (Тпл темпера-
тура плавления металла). '
Таким образом, в процессе обработки резанием В поверхност-
ном слое обрабатываемой заrОТ9ВКИ протекают два взаимно
исключающих процесса: деформационное упрочнение и разупроч-
нение. Физическое состояние поверхностноrо слоя заrотовки
определяется соотношением интенсивности и скорости этих про-
цессо13.
В аависимости от интенсивности и продолжительности MeXa
Rотермическоrо воздействия на металл поверхностноrо слоя и ero
взаимодействия с материалом режущеrо инструмента и окружаю-
щей средой в поверхностном слое MorYT произойти изменения
фазовоrо и химическоrо состава.
В заrотовке следует различать поверхностный слой и ero на-
ружную часть rраничную зону. Специфичность химических,
физических и энерrетических условий тонкой rраничной зоны
резко выделяет эту часть nOBepxHocTHoro слоя.
Поверхность твердоrо тела по сравнению с ero внутренним
строением имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный
внутри твердоrо тела с идеальной криста.ТIлической решеткой,
находится в состоянии подвижноrо устойчивоrо равновесия,
59
поскольку для Hero по всем направлениям интенсивность силовоrо
поля одинаКова. В ином положении оказываются атомы, которые
нахоДЯТСЯ у поверхности: они имеют только односторонние свя
зи В объем тела, поэтому металл в rраничной зоне находится
в нестабильном состоянии. Атомы этой зоны имеют избыточную
энерrию по сравнению с атомами, находящимися в объеме.
Поверхность металла обладает повышенной химической aK
тивностью и в реальных условиях неизбежно адсорбирует атомы
элементов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбиро-
ванных rазов, паров воды и жиров. Слой жира достиrает не-
скольких сот микрон, пленка сконденсированных водяных паров
составляет 50 ... 100 слоев молекул. Жировые пленки прочно
связаны с поверхностью металла и не удаляются обычными Mexa
ниt!ескими и химическими средствами. После промывки деталей
керосином и бензином на поверхности остается слой жиров
в 1 ... 5 мкм. Очень тщательной очисткой можно довести ТОJIЩИНУ
слоя жиров до 0,1 ... 0,001 мкм (примерно 100... 10 рядов моле-
кул). Воздействие внешней средь!; приводит к образованию на,
поверхности металла различных соединений, прежде Bcero раз-
личных оксидов, которые быстро возникают в результате влияния
атмосферноrо кислорода. Толщина наружной пленки в окисляю-
щихся металлах p BHa пример-но 2.10 9 ... 1.10 8 М (10 ... 20 слоев
молекул). Например, оксидная пленка стали равна 1.10 9...
2.10 8 м, алюминия 1.10 8... 1,5.10 8 м.
В результате диффузии в поверхностном слое MorYT возникнуть
химические соединения OCHoBHoro материала с про:никающими
извне веществами. Диффузионная подвижность атомов может
привести к перераспределению концентрации леrирующих эле-
ментов в поверхностном слое (обезуrлероживание в сталях,
обеднение хромом и алюминием в жаропрочных никелевых спла-
вах при ЩJСОКИХ температурах и др.).
Химико физическое взаимодействие поверхности металла с OK
ружающей средой на отдельных ее участках неравномерно вслед-
ствие ero поликристаллической структуры и rетероrенности.
Значительное влияние на физико-химическую активность отдель-
ных поверхностных зерен оказывает величина их остаточных
напряжений (микронапряжений), степень пластической дефор-
мации и др.
Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверх
ности металлов приводит к снижению их прочности (эффект Ре..
биндера). При пластическом деформировании выход дислокаций
, на поверхность КРI1сталлов приводит к увеличению ее площади
вследствие образования ступеней (см. рис. 1.5 и 1.6). Поэтому
такие дислокации должны иметь дополнительную энерrию, за-
трачиваемую на повышение поверхностноrо потенциала металла.
Адсорбция ПАВ вызывает снижение удельной поверхностной
энерrии и, следовательно, об.тiеrчает (интенсифицирует) пласти-
ческое деформирование материала, что способствует снижению
00
ero прочностных свойств. Кроме Toro, проникая в поверхностные
микротрещины, поверхностно-активные вещества интенсифици
руют их рост. Поэтому адсорбция активных СОЖ при обработк
резанием облеrчает пластическое деформирование металла и спо
собствует снижению шероховатости поверхности.
Адсорбция, как правило, уменьшается с повышением темпе-
ратуры. Это объясняется тем, что тепловые колебания атомов
MorYT привести к десорбции адсорбированной молекулы, вероят-
ность отрыва ее растет с уве 'шчением температуры.
Адсорбция возможна не только на поверхности металла, но
и внутри ero, коrда примеси, растворенные в твердом теле, адсор-
бируются на внутренних поверхностях; это чаще Bcero происходит
по rраницам зерен или каких либо дефектов структуры. Вну-
тренняя адсорбция может также иметь значение в процессах
адсорбционноrо понижения прочности металлов.
Поверхность трещины и rраницы зерен являются транспорт-
ными маrистралями для диффузионноrо проникновения чуже-
родных атомов в металл. Диффузия через поверхность оказывает
сильное влияние на свойства металлов и особенно на их поверх-
ностный слой: при обработке металлов с высокой температурой
в зоне резания (шлифование, электроимпульсная, светолучевая
и ультразвуковая обработка и др.); при термохимическом поверх
ностном упрочнении (цементация, азотирование); при эксплуата-
ции деталей с большой площадью поверхности (лопатки турбин,
жаровые трубы камер сrорания и др.) в условиях высоких тем-
ператур и rазовой среды, '
Параметры физико химическоrо состояния поверхностноrо
СЛОЯ и методы их определения. Для оценки физико-химическоrо
состояния поверхностноrо слоя детали после механической обра-
ботки используют следующие параметры.
Пластическое деформирование характеризуют изменением CTe
пени пластической деформации по rлубине поверхностноrо слоя
(ПОСJIойная степень деформации) е и степенью деформации отдель
ных зерен 83. Деформационное упрочнение (наклеп) поверхност-
Horo слоя оценивают rлубиной hи и степенью наклепа Ин, а ин
тенсивность наклепа по rлубине поверхностноrо слоя; [ра-
диентом наклепа Urp' являющимся важным параметром поверх-
HocTHoro наклепа после окончательной и отделочной обработки
поверхностей деталей:
Ин == Н М шах Н М IiСХ 100 % == l:iH М 100 % ;
НМисх НМкс'$.
НМПiах НМI'IС:к. l:iHM
UI'P == hп == .
[де Н МIПах и Н МИСХ максимальная и исходная микротвердость
поверхностноrо слоя металла.
Непосредственное определение степени деформации поверх-
HOCTHoro СЛОЯ имеет трудности, поэтому обычно оrраничи-
(2.17)
61
ваются определением параметров деформационноrо упроч-
нения.
Для определения rлубины, степени и rрадиента наклепа
наибольшее распространение получили методы измерения микро-
твердости на поверхности косых срезов и при послойном страв-
Jшвании, а также методы peHTreHocTpYKTypHoro анализа.
Основными параметрами структурно-фазовоrо состояния по-
BepXHocTHoro слоя металла являются характеристики фазовоrо
состава (число и концентрация фаз, распределение их по слою,
тип кристаллической структуры фаз, параметры решеток) и
структуры. К последним относятся: размер, форма и распределение
зерен по слою, их кристаллоrрафическая ориентация; размер и
форма блоков; уrол разориентации блоков; размер областей Kore-
peHTHoro рассеяния (D); величина микродеформации (8); сред-
нее квадратическое смещение атомов из узлов решетки, вы-
званное тепловыми колебаниями (и ») и статическими искаже-
ниями (и)2). Важными параметрами CTPYKTypHoro состояния
являются также концентрация вакансий
Со == nо/n.
(2.18)
rде nv и n число вакансии и атомов в данном объеме, и плотность
дислокаций
Рп == LIV,
(2.19)
rде L суммарная длина дислокационных линий в объеме У.
Химический состав поверхностноrо Слоя можно характеризо-
вать профилями концентрации элементов по толщине слоя и со-
держанием элементов в каждой из фаз.
Методы исследования структурно-фаэовоrо СОСТОЯlПirЯ (СФС)
J]()BepXHOC1'HOrO слоя. СФС материала описывается фазовым со-
ставом, морфолоrией зерен и особенностями кристаллическоrо
строения фаз. В настоящее время для исследования СФС исполь-
зуют множество различных методов. Особую rруппу составляют
методы прямоrо исследования, позволяющие в отличие от косвен-
ных методов непосредственно определять характеристики сфс.
В числе прямых методов наиболее важными являются дифраи:-
ционные и микроскопические.
Д и фра к Ц и о н н ы е м е т о Д ы. В основе этих методов
лежит явление дифракции различноrо вида излучения (peHTre-
HOBcKoro, электронноrо и неЙтронноrо) при прохождении через
кристаллическое вещество. Явление дифракции состоит в пре..
имущественном рассеянии падающеrо на кристалл излучения
в определенных направлениях.
Если на кристалл падает излучение с длиной волны л (рис. 2.12)
и на пути пучка лучей имеется семейство параллельных кристал-
лоrрафических плоскостей (hkl) с межплоскостным расстоянием
62
Рис. 2.12. Схема рассеяния лучей кри-
сталлом: АВ, Ве и .BD падающий,
отраженный и ослабленный первичный
лучи соответственно; nhh.l нормаль
к плоскости (hkl)
--$
D
dhl1.l, причем уrол падения лучей на плоскость е связан с и
h/l1 соотношением
2dЫtl sin е == ПА, n == 1, 2, 3...,
(2.20)
плоскости (hkl) отражают лучи по закону зеркальноrо отражения,
'1'. е. под уrлом е к плоскости. Соотношение (2.20) называют
уравнением Вульфа Брэrrа, а уrол 8 дифракционным уrлом
или уrлом Вульфа Брэrrа.
Теоретический анализ [59 J позволяет получить не только урав-
нение Вульфа Брэrrа, описывающее условия дифракции излуче-
ния с длиноЙ волны А на пространственной решетке, но и выраже-
ние для интенсивности дифраrированных (отраженных) лучей.
В частности, для реальных поликристаллических материаJlOВ
инт нсивность отражения от плоскостей (hkl) имеет следующий вид:
1м! == lokA3A (/-t, е) f (8) Shh! ехр ( 2M) V,
(2.21 )
rде 1 о интенсивность падающеrо на материал (первичноrо)
излучения; k коэффициент; А (/-t, е) абсорбционный мно-
житель, учитывающий поrлощение лучей в образце; f (8) уrло-
вой множитель, зависящий от дифракционноrо уrла 8; Slthl
структурный множитель, зависящий от типа решетки, ее компо-
нентов и индексов отражающей плоскости (hkl) (их называют также
индексами интерференции); V облучаемый объем; ехр ( 2M)
температурный множитель, значение KOToporo зависит от ампли-
туды тепловых колебаний атомов. .
В простейшем случае (для решетки, в которой атомы совершают
малые и взаимно независимые колебания) величина М связана
со средним квадратически смещением атома из положения
равновесия (U kl) в направлении, перпендикулярном к плоско-
сти (hkl) , следующим образом:
М 81(;2 ( 2 ) sin2 6
---з-- Uhk 1 ------т-----.
(2.22)
Определив температурную зависимость интенсивности дифрак-
ционных отражений, можно найти зависимость (Uhkl) от тем-
пературы, что позволяет изучать динамику решетки вещества.
Абсорбционный множитель А (/-t, 8) зависит от е и от коэф-
фициента линейноrо поrлощения /-t д'анноrо излучения с длиной
волны А в исследуемом материале.
6з
Величина определяет поrлощение излучения в соответ-
ствии с законом
l [о ехр ( x),
(2.23)
rде [х интенсивность пучка после прохождения пути излуче
нин в материале длиной х.
Основные закономерности дифракции рентrеновских лучей,
электронов и нейтронов идентичны. В Соответствии с принципом
Де Бройля электронный (нейтронный) пучок можно рассматри-
вать как волну длиной
11 h
Л, == == (2.24),
р Jl2тЕ ·
rде h постоянная Планка; р, т и Е импульс, масса и кине
тическая энерrия движущейся частицы (электрона, неЙтрона).
Однако дифракционные методы, основанные на дифракции
рентrеновских, электронных и нейтронных лучей, имеют и свои
отличия. Это обусловлено типом излучения и особенностями вза-
имодействия ero с веществом. В частности, нейтроны имеют очень
высокую проникающую способность (обычно 1 ... 10 мм), поэтому
использовать их для дифракционноrо исследования поверхност
Horo слоя нецелесообразно.
В зависимости от способа реrистрации дифракционной Kap
тины различают установки peHтreHocTpYKTYPHoro анализа (РСА)
для. фотоrрафической реrистрации и дифрактометры для реrи-
страции с помощью счетчиков квантов peHтreHoBcKoro излучения.
В обоих случаях установки содержат блок rенерации peHTre-
HOBCKOro излучения (рентrеновский аппарат), представляющий
собой рентrеновскую трубку и ее высоковольтный источник пи-
тания. При фотоrрафической реrистрации исследуемый образец
и фотопленка крепятся в специальных камерах, устанавливаемых
на рентrеновский аппарат. В дифрактометре на peHтreHoBcKoM
аппарате размещен специальный прибор rониометр, на котором
устанавлИfЩЮТ rониометрическую приставку с образцом и счет
чик квантов излучения. rониометр обеспечивает перемещение
приставки с образцом и счетчика, а также позволяет с высокой точ-
ностью измерять дифракционные уrлы. Лучи, испускаемые peHT
rеновской трубкой, отражаются от образца и реrистр:ируются
счетчиком. Далее сиrнал передается в счетно-реrистрирующее
устройство и затем данные об интенсивности отражения выводятся
на цифропечатающее устройство или на ленту самописца. PeHтr -
HorpaMMbl, снятые на дифрактометре, принято называть дифрак
тоrраммами.
Дифрактометры бывают специализированные (для исс.ледова
ния монокристаллов, :reKcTYP и т. д.) И общеrо назначения. В на-
учно исследовательских лабораториях наиболее широко приме-
няют дифрактометры общеrо назначения ДРОН (ДPOH 2.0,
ДРОН-З.О, ДРОН-УМ1). Блаrодаря наличию ряда rониометри:че-
М
Рис. 2, t30 Схема рентrеиовскоi'O ди
ФР:1ктометра ДРон- rl\Jll:
.1 - питающее устройство ПУРj50; 2 ._- реи-
'1"rеЕОЕская трубка; 3 rониометрическая
ДРИСТ8.ш:{а 'с. образцом; 4 счетqИJ{ квантов
рIё:БТt'е:ноnскоrо из<лучения; 5 rониометр
[УР-8; 6 комплекс упраВЛЯЮlJ,ий KY-l;
:1 ... опок реrнстрации; 8 БJIОК ynpaBJIe-
I!НЯ rониометром; 9 самописец ЛК:С.4;
./0 . перфоратор ПЛ-80; ! j вычислитель-
:Иf IЙ комплекс «Искра»; 12 интерпрети
рующий процессор «Искра-1256>; 13 циф-
ропечатающее устройство
56
ш J
Ш[@
IШJi"
шт
еких приставок на этих дифрактоrvrетрах можно решать различ-
ные структурные задачи. Схема дифраюометра ДРОН- УМl пока-
зана на рис. 2.13. Отличием ero ЯВ.пяется наличие микроЭВМ,
с ПОМОЩЬЮ которой осуществляется управление работой дифрак-
тометра и проводится обсчет первичной информации.
Установки РСА MoryT быть укомплектованы приставками для
проведения высоко- и низкотемпературных исследований. Это
позволяет изучать структур но-фазовое состояние материала в ши-
роком интервале температур.
Для исследования субструктуры, а также дефектов решетки
в монокристаллических материалах и поликристаллах с крупным
зерном, в которых плотность дислокаций не превышает lO 6 CM 2,
прим:еняют методы рентrеновской дифракционной микроскопии
(Р ДМ). ЭТИ методы основаны на явлении дифракции рентrеновских
ми:кропучков (с размером 10 2... 10 1 мм), при прохождении
которых через вещество различные субзерна или искаженные
(вблизи дефектов) и неискаженные области решетки материала
рассеивают лучи по-разному. Реальная rлубина проникновения
рентrеновских .ТIучей в зависимости от длины BOJlИbI излучения,
химическоrо состава материала и rеометрических условий съемки
порядка 1 ... 10 мкм.
Картину электронной дифракции (электроноrрамму) фикси-
рУЮ,т на фотопластинке в специальных приборах электроно-
l'рафах или в просвечивающих электронных микроскопах в ре-
:жиме микродифракции. ЭлеКТРОНОf'раммы получают при съемке
«на просвет» и «на отражение». В первом случае в качестве об-
р:а:ща испо.fIЬЗУЮТ тонкую фольrу (в месте съемки ее толщина
в зависимости от энерrии электронов не ДОJlжна превышатъ
10 2..- 1 мкм). Схема получения электроноrраммы в электроно..
rрафе при съемке «на отражение» приведена на рис. 2.14. Элек-
троны с энерrией еи излучаются электронной пушкой 1, фоку-
сируются конденсорноЙ линзой 2 в плоскости флуоресцирующеrо
экрана 4, на котором фиксируется картина дифракции или рас-
полаrается фотопластинка. Система откачки позволяет создавать
в электроноrрафе вакуум с разрежением 10 1 ... 10-5 Па.
Вследствие малой проникающей способности электронов элек-
'fpOHOrpaMMЬX характеризуют структурно-фазовое состояние тон-
з C]I' I!!I,a.. А. М. O!J М:
65
Koro поверхностноrо слоя. При дифрак-
ции быстрых электронов (с энерrией
еи == 103 ... 105 эВ) исследуют поверх-
ностные слои толщиной 10 2... lO l мкм,
при дифракции медленных электронов
(еи == 30 ... 1000 эВ) слои толщиной
в несколько межатомных расстояний.
Современные приборы для дифракции
медленных электронов снабжают специ-
альными детекторами, позволяющими
измерять интенсивность дифракционных
отражений. Кроме Toro, мноrие электро-
ноrрафы дают возможность проводить
исследования при HarpeBe и охлаждении
образцов, при их деформировании непо-
средственно в установке. Аппаратура
для электронно-rрафическоrо анализа
более подробно описана в работе и11].
Фаз о вый а н а л и з (ФА) позво-
ляет определить, какие фазы (качественный
ФА) и в каком количестве (количественный
ФА) присутствуют в образце. Основными и
прямыми методами ФА являются дифрак
ционные методы, позволяющие иденфити-
цировать тип кристаллической решетки. ФА предусматривает
съемку и расчет peHTreHorpaMMbI (электроноrраммы) и сравнение
реальной дифракционной картины с теоретически рассчитанной
для данной фазы исходя из ее rипотетической кристаллической
структуры. При наличии нескольких фаз в образце дифракцион-
ная картина представляет собой суп ер позицию систем отражений
от каждой из фаз.
Наиболее достоверен рентrеноrрафический ФА при съемке по
методу поликристалла (порошка) [59 J. На peHTreHorpaMMe при
этом наблюдается совокупность отражений от плоскостей с меж-
плоскостным расстоянием dt (i == 1, 2, ..., n; n число отраже-
ний на peHтreHorpaMMe). Основным этапом ФА является сравнение
значений dt, 1, и; интенсивность i-ro отражения) с теоретически
рас читанными или табличными значениями для данной фазы
(или композиции фаз). Совпадение (в пределах ошибок экспери
мента) Bcero ряда значений d;, ';, рассчитанных по peHтreHo-
rpaMMe, и табличных значений дает возможность сделать заклю-
чение о фазовом составе образца.
Количественный ФА основан на том, что интенсивность отра-
жений данной фазы пропорциональна ее содержанию в сплаве
(объемной доле). Методика проведения ФА детально изложена
в работе [59 J. . .
о n р е Д е л е н и е о р и е н т а Ц и и к р и с т а л л о В. ИЗ
рис. 2.12 следует, что нормаль nп1&! к отражающей плоскости (hkl)
66
u
!
rEJ
С8}2
3
4
28=0
Рис. 2.14. Схема получе-
ния электроноrраммы при
съемке на отражение:
1 электронная пушка; 2
конденсорная лннэа; 3 об-
разец; 4 экран
в кристалле является биссектрисой уrла, об-
разованноrо Падающим АВ и отраженным Ве
лучами. Поэтому, определив при данной reo-
метрии съемки направление распространения
лучей, отраженных от различных кристаЛЛD-
rрафических плоскостей, и учитывая тип ре-
шетки данноrо кристалла, можно определить
ориентацию осей решетки относительно внеш-
них координатных осей, связанных, например,
с оrранкой кристалла.
В поликристалле (без учета поrлощения
излучения) лучи, отраженные от плоскостей
(hkl) в различных зернах, образуют кониче-
скую поверхность относительно оси, совпада-
ющей с ослаБJIенным первичным лучом BD (см.
рис. 2.12) и уrлом при вершине 48Мl (8hkl
дифракционный уrол отражения (hkl)). Таким
образом, дифракционное отражение (hkl) на
плоском экране, расположенном перпендику-
лярно лучу BD, представляет собой окруж-
ность (дебаевское кольцо), При отсутствии
текстуры распределение интенсивности по
кольцу достаточно однородно. В противном
случае это распределение будет неравномер-
ным, впл{)ть до присутствия лишь нескольких
максимумов на воображаемом дебаевском коль-
це. Поэтому, определив направление преиму-
щественноrо распространения дифракционных
лучей (hkl), можно найти текстуру в образце.
Разработаны и используются различные методики анализа
текстур и ориентации монокристаллов [59]. Особенности этих
методик в основном определяются конкретной задачей исследо-
вания.
И с с л е Д о в а н и е Д е Ф е к т о в реш е т к и. Влияние
дефектов кристаллическоrо строения на дифракционную картину
наиболее последовательно проанализировано М, А. Кривоrла-
зом [58]. По виду создаваемых дифракционных эффектов они
делятся на два класса.
К дефектам класса 1 относятся дефекты, имеющие конечные
размеры во всех трех измерениях. Это точечные дефекты и их
комплексы, дисперсные частицы новой фазы, дислокационные
петли и др. Такие дефекты ведут к снижению интенсивности и сме-
щению дифракционных отражений, а также к появлению вблизи
них широких диффузных максимумов с плавным распределением
интенсивности (рис. 2.15).
К дефектам II класса относятся дислокации, хаотически рас-
пределенные в объеме, дефекты упаковки, различные дислока-
ционные скопления и друrие дефекты, протяженность которых
З'"
I
I
I
I
I
I
jkia)
1 I 2
I б)
2() б)
Рис. 2.15. Влияние
дефектов на ди-
фракционную кар-
тину: идеальный
кристалл (а), кри-
сталл, содержащий
дефекты 1 класса
(6) и II класса (в):
1 брэrrовское ди-
фракциоиное отраже-
ние; 2 Днффузный
максимум
67
хотя бы в одном направлении бесконечно велика (практически
она должна быть соизмерима с размером кристалла). Дефекты
Il класса ведут в основном к уширению дифракционных линий,
причем это уширение пропорционально концентрации дефектов.
Наиболее часто анализ дефектов решетки проводят по ушире-
нию линий на peHTreHorpaMMe поликристаллическоrо образца.
При этом считается, что металл содержит лишь дефекты II Класса.
Разработаны разнообразные методики анализа [38, 58, 59],
основные этапы KOToporo сводятся к следующему.
1. Выделение физическоrо уширения линий. Профиль (форму)
дифракционных линий на peHTreHorpaMMe можно представить
Б Биде
+00
F ( 8) == f g (у)! (28 у) dy,
(2.25)
oo
rде функции g (1/) и { (у) описывают соответственно rеометрическое
(аппаратурное) и физическое уширение линий.
Таким образом, F (28) является «сверткой» функций g и {.
Определив значения F и g с помощью съемок соответственно
исследуемоrо и эталонноrо (бездефектноrо) образцов, можно
рассчитать, учитывая (2.25), функцию {.
2. Определение вклада дисперсности областей KorepeHTHoro
рассеяния и микродеформаций в физическое уширение. В основе
этоrо этапа анализа лежит модель кристалла, состоящеrо из об-
ластей KorepeHTHoro рассеяния рентrеновских лучей (аКР) со
средним размером вдоль нормали к отражающей плоскости (D),
причем считается, что каждая аКР однородно упруrо деформиро-
вана. Эта упруrая деформация характеризуется величиной микро-
деформации
(8) == дd/dо,
(2.26)
rде do межплоскостное расстояние в идеальном кристалле;
дd усредненное по всему облучаемому объему изменение
межплоскостноrо расстояния,
В рамках данной модели считается, что наряду со сжатием
имеет место и растяжение решетки.
Если (8) =1= О, то на peHTreHorpaMMe наблюдается, уширение
J1Иний, уrловая зависимость KOToporo пропорциональна
1 ,..., д28 == 2 (8) tg 8.
(2.27)
Физическое уширение вида (2.27) может быть вызвано следую-
щими дефектами: 1) хаотически распределенными по объему дисло-
кациями; 2) дислокационными стенками из дислокаций одноrо
знака, расположенных случайным образом; 3) стенками, coдep
68
жащими равное число (расположенных случайным образом) дисло
кации противоположных знаков *, [58], При этом
l "" Ьо VP; tg е, (2.28)
rде Ьо вектор Бюрrерса дислокаций; PD плотность дисло
каций.
К микродеформации решетки приводит также неоднородность
химическоrо состава сплава. Это следствие локальных изменений
периодов решетки и соответственно межплоскостных расстояний.
Однако дислокационные стенки, образованные эквидистантно
расположенными дислокациями одноrо знака (rраницы субзерен),
так же как и rраницы зерен, вызывают уширение
2 ""'"
л.
(D) cos 6 '
(2.29)
rде (D) размер окр (или зерен).
Куширению, пропорциональному sec е, ведут и дефекты
упаковки.
В большинстве реальных случаев физическое уширение линий
обусловлено как дисперсностью ОКР, так и наличием микроде-
формации. Для выделения вклада каждоrо из этих факторов
используют методы rармоническоrо анализа, моментов, аппрокси
маций и др. [38, 58, 59]. Отметим, что значения величин (D)
и (8), найденные различными методами,. MorYT заметно отли
чаться. Но качественно характер изменения (D) и (8) в зависи
мости от вида обработки и степени деформации во всех случаях
сохраняется.
Толщина эффективно отражающеrося
с л о я. В простейшем приближении интенсивность дифракцион-
HorO отражения от поверхностноrо слоя толщиной х
[х == [о [ 1 ехр ( X ( Si 1)1 + sin (2 1)1) ) ) ] ,
(2.30)
rде [о интенсивность отражения от толстоrо образца (х -+ 00);
линейный коэффициент ослабления для данноrо материала;
Ф уrол падения первичноrо луча на образец (уrол между лучом
и поверхностью образца); е дифракционный уrол (см. рис. 2.12).
За толщину эффективно отражающеrо слоя примем величину h*,
для которой [h*!10 == 0,95. Это означает, что слой толщиной h*
отражает 95 % Bcero дифраrированноrо излучения:
h* !:::!. (1 3 1 ) . (2.31)
/1 sin 1)1 + sin (26 1)1)
* rраницы ячеек, образующихся в металле дри пластическом деформиро-
вании, представляют собой дислокационные стенки типа 2 и 3.
69
Таким образом, h* зависит от величин 1-1-, '1' и е. в свою очередь, !-t
опредеJляется химическим составом сплава
п
I-t "'" Р ( )tCt, (2.32)
i l
rllIe ( ) 1: массовыи кюэффициент ослабления i ro компонента
сплава и даННо:rо излучения; С! массовая доля i ro компонента.
Значения (1::.) затабулированны. У:rол Ф определяется reoMe-
р , &
трией съемки, уrол е выбран для анализа дифракционной ли
нией (hkl).
Из выражения (2.31) следует, что при съемке с соблюдением
условия фокусировки Ф е:
h* 1,5 (sin e/I-t). (2.33)
Таким образом, при съемке на дифрактометре (с соблюде-
нием условий фокусировки) каждое отражение характеризуется
определенной величиной h*. Обычно h* имеет значение порядка
1...10 мкм.
Из выражения (2.31) следует, что снижение уrла 'ф должно
приводить К уменьшению h*. Учитывая это, разработан и при-
меняется метод скользящеrо пучка, предусматривающий съемку
под малыми уrлами 'ф ('Ф 1 О) [8, 90]. Этот метод позволяет
исследовать поверхностный слой толщИНоЙ до 1 мкм. Однако
отличие'Ф от е вызывает дефокусировку и соответственно приводит
к резкому росту rеометрическоrо уширения дифракционных
линии. Для уменьшения эффекта дефокусировки необходимо ис-
пользовать пучки с минимальной расходимостью, а это ведет к сни-
жению интенсивности первичноrо пучка и соответственно к росту
экспозиции при съемке (приблизительно на порядок).
Для исследования структуры слоев, удаленных от поверхности
на расстояние h > h*, применяют методику послойноrо анализа,
предусматривающую удаление приповерхностноrо слоя опреде-
ленной толщины. В зависимости от целей KOHKpeTHoro исследо-
вания удаление металла производят химическим, электролити-
ческим или механическим методами.
М и к р о с к о п и ч е с к и е м е т о Д ы используют для по-
J!учения: увеличенноrо изображения объекта. К этим методам
относят оптическую микроскопию (ОМ), растровую электронную
микроскопию (РЭМ), просвечиваlOЩУЮ электронную микроско-
пию (ПЭМ) и ряд друrих.
Метод ОМ предусматривает исследование структуры специаль-
ных образцов (металлоrрафических шлифов) с помощью ОI1тиче-
cKoro микроскопа. Контраст оптическоrо изображения обусловлен
13 основном особенностями топоrрафии поверхности ШJшфа. Уве-
личение ошическоrо микроскопа не превышает 1000 ... 1500 и
обычно составляет 100..; 500.
70
Рис. 2.16. Схема paCTpoBoro электрон-
Horo микроскопа с реитrеновским мик-
роанализатором:
1 электронная пушка; 2 маrнитные
лиизы; 3 отклоияющая система; 4 об-
разец; 5 детектор электронов; 6 де-
тектор peHTreHoBcKoro нзлучения; 7, 8
уСИJlНтели; 9 счетная аппаратура; 10
электронно-лучевая трубка; 11 reHepaTop
сканировання; 12 реrистратор поrлоще-
ния электронов
Разрешающая способность микроскопа, как известно, пропор-
циональна длине волны используемоrо излучения и обратно про-
порциональна числовой апертуре А объектива. Таким образом,
повысить разрешающую способность и соответственно увеличи-
тельную способность прибора можно, применяя излучение с мень-
шей длиной волны, чем у Видимоrо света (Лев == 0,39 ... 0,77 мкм).
Этот принцип использован при создании электронных микроско-
пов (ЭМ). Длина волны электронных пучков, применяемых в этих
микроскопах, в 105 раз меньше Лев' И хотя значение А электрон-
ных линз в 102 ... 103 ниже, чем оптических, в электронных микро-
скопах предельная разрешающая способность достиrает 10 8 см,
а м;аксимальное увеличение 105.
Схема pacTpoBoro электронноrо микроскопа в комплексе
с рентrеновским микроанализатором приведена на 'рис. 2.16.
Электроны, испущенные электронной пушкой, пройдя через
электромаrнитные линзы, формируют узкий пучок с малой рас-
ходимостью (микрозонд). Энерrия электронов составляет 103 ...
105 эВ. Диаметр пучка на поверхности образца имеет размер от
нескольких микрон до 10 3 мкм. Электроны, падающие на образец,
испытывают упруrое отражение от ядер атомов, а также неупруrое
взаимодействие с электронами в образце, что приводит к появле-
нию вторичных электронов и peHTreHoBcKoro излучения.
Отраженные и вторичные электроны фиксируются специаль-
ным детектором (коллектором электронов). Возможно также изме-
рение силы тока электронов, поrлощенных образцом. Возникаю-
щий при этом сиrнал определяет яркость изображения на экране
электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Микроскоп имеет систему
синхронной развертки микрозонда по\ поверхности образца и
луча ЭЛТ, поэтому каждой точке сканируемоrо участка (растра)
поверхности образца соответствует точка с определенной яркостью
на экр-ане ЭЛТ.
Контраст изображения в РЭМ обусловлен двумя причинами:
топоrрафией поверхности и различием химическоrо состава ми:
кроучастков IJоверхности. Топоrрафический контраст след.
ствие зависимости измеряемоrо сиrнала от уrла наклона локаль-
HOI'O участка поверхности по отношению к пучку первичных
11
э.пен:тронов, Контраст от состава (от aTOMHoro номера), в основном,
обусловлен зависимостью количества отраженных электр нов
от среднеrо aTOMHoro номера анализируемоrо элемента поверхф
ности,
ДЛЯ РЭМ вследствие малой апертуры характерна очень бо.IIЪ-
шая rлубина резкости /1. Величина /),., обратно пропорциональная
значению А и увеличению прибора, дЛЯ РЭ.м. составляет 1 ...
102 мкм. По сравнению с ОМ при одном и том же увеличении зна-
чение il д,ия РЭМ обычно в 10 ... 100 раз больше. Наряду с высо-
ким разрешением это дает возможность изучать объекты со СЛО:НС""
ным ре,lIьефом поверхности, образующимся, например, при раз-
рушении образца (Т. е. вести фрактоrрафическое ИСС,lIедование),
Следует отметить, что поскольку энерrия вторичных электро-
нов невелика (порядка 10 эВ), область отбора информации для
них имеет rлубину менее 50 нм И диаметр, лишь HeMHoro превы-
шающий диаметр микрозонда. Для отраженных электронов об-
JlaCTb отбора информации имеет значительно более высокие раз-
меры, в частности, rлубина ее может достиrать 500 нм, ПОЭТОМУ
разрешающая способность РЭМ при реrистрации вторичных элеКQ
тронов значительно выше, чем отраженных. Детально аппаратура
и методика исследований на РЭМ описаны в работах [86, 111].
Принцип работы электронноrо микроскопа слеДУЮЩj1Й. Элек-
троны, испущенные электронной пушкой, собираются KOHдeH
сорной линзой в узкий пучок лучей, параллельных rлавноЙ ОПТИQ
ческой оси прибора. Поперечный размер этоrо пучка составляет
обычно ОКGЛО 1 мкм, что дает возможность исследовать состояние
малых объемов. Электроны при прохождении через образец
рассеиваются. Прошедшие электроны представляют собой сово-
купность ослабленноrо первичноrо, дифраrированных и диффузно
рассеянных лучей. За образцом расположена система линз и
диафраrм, после лрохождения 'которых электроны формируют
увеличенное до 105 изображение объекта исследований на экране
МЮЧJOскопа. .
Особенностью электронноrо микроскопа является возможность
наряду с микроскопическим изображением получить электроно-
rpaMMY однor'о и TorD же участка образца. Переход от МИКРОСКО-'
пическоrо режима, к режиму микродифракции осуществляется
путем изменения оптической силы одной из линз,
В качестве образцов для электронноrо микроскопа используют
тонкие пленки (обычно толщиной 10 1 мкм), полученные из мас-
сивных объектов путем химическоrо, электролитическOl'О или
ионноrо утонения, Для изучения топоrрафии поверхности при-
меняют реплики (отпечатки), т. е. тонкие пленки (например,
уrлеродные), которые наносят на поверхность образца, а затем
отделяют и исследуют,
ЭлектронныЙ микроскоп дает возможность визуаJIЪНО наблю-
дать дефекты решетки, определять их количество, распределение
ИТ.п, [59].
12
к МИКрОСКО!1ичеСI<ИМ методам следует отнести и метод авто-
ионной микроскопии [I 1 1], которыЙ позволяет исследовать даже
единичные точечные дефекты.
Необходимо отметить, что каждый из перечисленных выше
дифракционных и микроскопических методов наряду с их преиму"
щеСТВilМИ имеет и недостатки, оrраничения. Естественно, что
наиболее полную информацию о структурно фазовом состоя'.
нии материала можно получить при комплексном их приме..
нении.
CTPYI(typho-фазовое состояние (СФС) rраНИЧНО i 30!!i1bI поверх-
flOCTHoro слоя. Состояние rраничной зоны имеет ряд особенностей
[28, 6п. У чистых Аи, Pt, Pd при 20 ОС, а также W и Мо при
низких температурах решетка в rраничной зоне имеет иную
симметрию, чем в объеме. У друrих металлов значения меж-
плоскостных расстояний dhk1 в решетке вблизи поверхности и
в объеме MorYT значительно различаться. Если поверхность кри-
сталла совпадает с кристаллоrрафическими плоскостями, имею..
щи ми низкую плотность упаковки атомов, то обычно наблюдается
сокращение d/1k1 в rраничном слое на 5 ... 1 О % по сравнению
с состоянием в объеме. В то же время если поверхность совпадает
с, плоскостями, обладающими высокой плотностью упаковки (111)
и (100) для rцк и (110) дЛЯ ОЦК, то с точностью до нескольких
процентов различие в значениях dhh.1 не обнаруживается.
Исследования структуры rраничной зоны соединений пока.
зали, что атомы решетки ИСr:Iытывают статические смещения, при.
чем величины этих смещений для атомов различных компонентов
MorYT отличаться в несколько раз.
Имеются отличия в динамике решеток rраНИЧНОI'О слоя и
объема. Средняя квадратическая амплитуда тепловых колебаний
атомов вблизи поверхности заметно выше, чем в объеме (в 1,5 ,..
2 раза). Толщина rраничной зоны поверхностноrо слоя обычно
равна 5... 10 межатомным расстояниям.
Влияние rраничной зоны на макросвойства, очевидно, будет
наибольшим в системах с большой удельной поверхностью (дис-
персные порошки, тонкие пленки). ДеиствитеJ1ЬНО, наблюдается
заметное снижение температуры плавления дисперсных порошков
по сравнению с массивными материалами [22].
Зарождение дислокаций в rраничной зоне происходит более
интенсивно по сравнению с их образованием в объеме, особенно
при малых степенях деформации [4],
Влияние методов и режимов обработки резанием на физико
химическое состояние поверхностноrо слоя. Поверхностный слой
детали после обработки резанием пластически деформирован,
поэтому физическое состояние поверхностноrо слоя после обра
ботки резанием в основном характеризуется деформационными
изменениями в поверхностном слое, следствием которых является
и ero деформационное упрочнение. Деформационное упрочнение
ПоверхностнOI'О слоя существенно зависит от режимов резания,
73
rеометр:ии режущеrо :инструмента и ero :износа, саж и друrих
условий обработки.
Пластическая деформация поверхностноrо слоя определяется
силами, температурой в зоне резания и продолжительностью их
действия. Следовательно, влияние Toro' или иноrо технолоrиче-
cKoro фактора или их совокупности на параметры деформационных
изменений в поверхностном слое будет определяться их значе-
нием в механотермическом воздействии на металл в зоне резания.
Л е 3 в и Й н а я о б Р а б о т к а. Скорость резания и подача
оказывают наиболее существенное влияние на деформацию по-
BepxHocTHoro слоя, так как эти параметры режима резания опре-
деляют в основном механотермическое воздействие на металл.
С увеличением скорости резания .повышаются скорости дефор-
мирования и температура HarpeBa, но уменьшаются продолжи-
тельность действия напряжений и время HarpeBa поверхностноrо
слоя заrотовки. Возрастающий HarpeB деформированноrо металла
с увеличением скорости резания повышает диффузионную по-
движность атомов, активизирует процессы разупрочнения (воз-
врат и рекристаллизацию), снижая этим прежде Bcero интен-
сивность деформационноrо упрочнения поверхностноrо слоя.
Степень раз упрочнения поверхностноrо слоя определяется
соотношением скоростей деформирования поверхностноrо слоя и
скорости процессов рекристаллизации или возврата. Если ско-
рость деформирования превосходит скорость рекристаллизации,
наблюдается лишь частичное снятие деформационноrо упрочне-
ния, несмотря на то, что деформация будет происходить при тем-
пературе, превышающей температуру рекристаллизации.
С сокращением продолжительности наrружения на поверх-
ностный слой (контакт' задней поверхности резца с обрабатывае-
мой поверхностью) уменьшается трение и адrезионно-диффу-
зионное взаимодействие материала инструмента с металлом по-
BepxHocTHoro слоя, уменьшая этим искажения криста,щтической
решетки, а следовательно, и упрочнение поверхностноrо слоя.
С увеличением скорости резания изменяются процесс наро-
стообразования и особенности стружкообразования. Образование
нароста увеличивает действительный радиус скруrления режущей
кромки и способствует повышению деформационноrо упрочнения
поверхностноrо слоя.
Экспериментальные исследования и анализ явлений, влияющих
на пластическое деформирование поверхностноrо слоя, показы-
вают, что с увеличением скорости резания усиливается тепловое
воздействие на деформированный металл поверхностноrо слоя и
снижается ero упрочнение (рис. 2.17, а).
По сравнению с друrими параметрами режима резания подача
оказывает наиболее сильное влияние на деформационное упроч-
нение поверхностноrо слоя. Зависимости rлубины и степени на-
клепа от подачи имеют экстремальный характер (рис. 2.17,. б).
Существует оптимальная подача, при которой наклеп поверхност-
14
hll,МI(M U/-I'% hH,MKI1
50
250
50
4S 0,-
O 45
40 200
о
200 40
35
17S 150
\7\. h н 150
'i7 125
О 20 40 60 v, Н/НИН
а)
Ин, О/О hH, мкн ИН, О/О /7тМКН
БО
55
55
50 250
50 200
ir 4S
45 200
40 150
/\7 150
100
sz
О 0,5 1,0 1,5 t) /1Н (1:1 0,2 0,3 Ь,ММ
в) с.)
Рис. 2.17. Изменение r луб ины hп и степени Ин наклепа в зависимости от параме-
тров резания при точении сплава ХН77ТЮ:
v скорость резання; S подача; t rлубнна резання; Ь ИЗНоС резца
Horo слоя имеет наименьшее значение. Оптимальная подача для
жаропрочных сплавов Sоп == 0,1 ... 0,15 мм/об. Увеличение дe
формационноrо упрочнения при уменьшении подачи за пре-
делами оПтимальных значений подач объясняется влиянием про-
цесса скольжения режущеrо лезвия, создающеrо дополнительное
деформирование поверхностноrо слоя. Характер этих зависимостей
определяется силовой наrрузкой и температурой HarpeBa металла
в зоне резания. Подача в основном оказывает силовое воздей-
ствие на поверхностный слой. При точении, строrании и протя-
15
rивании с увеличением rлубины резания основные параметры
деформационноrо упрочнения Бозрастают (рис. 2. J 7, в).
Передний уrол резца влияет на условия 'стружкообразования,
которые предопределяют формирование поверхностноrо слоя.
По данным проф. А. Д. Макарова, при точении сплава ХН77ТЮР
с изменением переднеrо уrла от + 150 до 150 rлубина наклепа
увеличивается в 3 раза, а степень наклепа возрастает с 22 до
35 %, что связано с повышением сопротивления движению
стружки по передней поверхности резца.
Увеличение радиуса скруrления режущеrо лезвия повышает
наклеп поверхностноrо слоя при всех подачах. Затупление резца
сопровождается увеличением силы и температуры HarpeBa в зоне
резания и продолжительностью их воздействия на поверхностный
слой, rлубина и степень наклепа при этом возрастают (рис. 2.17. е),
Конструкционные стали и сплавы, имея различные физико-
механические свойства (прочность, пластичность, твердость, тепло
проводность и др.), по-разному упрочняются при обработке
резанием. Более пластичные материалы обычно при обработке
резанием характеризуются большим наклепом. '
У жаропрочных сплавов на никелевой основе при обработке
резанием наблюдается снижение характеристик наклепа по мере
увеличения их жаропрочности. Снижению наклепа в этом случае
MorYT способствовать повышение прочностных и понижение пла
стических свойств сплавов и значительное уменьшение коэффи
циента трения по задней поверхности резца.
Степень пластической деформации поверхностноrо слоя зави
сит от. трения на поверхностях инструмента, определяющеrо
склонность материалов трущейся пары к адrезионно-диффу-
зионному взаимодействию, поэтому факторы, влияющие На xa
рактеристики трения, должны способствовать изменению наклепа
поверхностноrо слоя детали. Инструментальные материалы с MeHЬ
шей склонностью к адrезионному взаимодействию с обрабатывае-
мым материалом обеспечивают и меньший коэффициент трения по
задней поверхности инструмента, менее интенсивно изнашиваются
и формируют поверхностный слой с меньшей rлубиной и степенью
наклепа. Например, поверхностный слой после точения резцом
из аплава T14K8 имеет меньшую микротвердость и rлубину на-.
клепа по сравнению с поверхностным слоем после точения резцом
из сплава ВК8. С увеличением содержания карбидов вольфрама
в инструментальном материале повышается склонность к адrе-
зионному взаимодействию материала инструмента с материалом
обрабатываемой заrотовки, усложняется обтекание металлом ре-
жущеrо инструмента, вызывая этим повышение наклепа поверх-
HocTHoro слоя.
Ш л и Ф о в а н и е. По сравнению С лезвийной обработкой
шлифование имеет ряд особенностей, которые оказывают влияние
на механизм образования поверхностноrо слоя обрабатываемой
заrотовки. Шлифование это процесс MaccoBoro CKOpocTHoro
16
микрорезания поверхностноrо слоя большим числом абразивных
зерен. В результате MaccoBoro динамическоrо воздействия абра-
зивных зерен на поверхностный слой (упруrое и пластическое
деформирование обрабатываемоrо материала, дисперrирование
материала и зер , трение зерен, связки и отдельных стружек
об обрабатываемую поверхность) в зоне резания развиваются
высокие местные MrHoBeHHbIe и средние температуры, резко по-
вышающие пластичность металла, облеrчая этим процесс снятия
стружки.
Параметры поверхностноrо слоя после шлифования зависят
от технолоrических факторов, определяющих термомеханический
режим шлифования. Общие закономерности изменения параметров
поверхностноrо слоя от условий обработки в основномсохра-
няются для всех конструкционных сталей и сплавов независимо
от метода шлифования или ero разновидностей. Основные пара-
метры режима шлифования можно разделить на две rруппы;
параметры, увеличивающие пластическую деформацию (попереч
ная подача на врезание, скорость вращения детали), и параметры,
способствующие уменьшению деформации (частота вращения
Kpyra, ч; сло ходов Kpyra при выrлаживании).
При повышении частоты вращения детали и поперечной по
дачи на врезание увеличиваются объем снимаемоrо металла и
силы шлифования, возрастают шероховатость и повеРХНОСТЩ,IЙ
наклеп, rлавным образом, ero rлубина. Степень наклепа при этом
мало изменяется.
Увеличение частоты вращения Kpyra и числа ходов при вы-
rлаживании снижает шероховатость поверхности и уменьшает
поверхностный наклеп. Так, при повышении частоты вращения
Kpyra увеличивается число контактов Kpyra с обрабатываемой
поверхностью в единицу времени, вследствие чеrо толщина слоя
и сила, приходящаяся на одно абразивное зерно, уменьшаются.
Подобное воздействие на поверхностный слой оказывает число
ходов Kpyra при выrлаживании. При выrлаживании упруrая
технолоrическая система возвращается в исходное положение,
интенсивность съема металла снижается, уменьшая при этом
радиальную силу шлифования.
В некоторых случаях в зоне интенсивноrо деформирования
происходит высокий местный HarpeB до температур рекристалли-
зации и выше. Такой HarpeB с последующим быстрым охлаждением
может сопровождаться фазовыми и химическими изменениями
в поверхностном слое. Подобные физико химические превращения
в поверхностном слое наблюдались при шлифовании закаленных
сталей.
М е х а н и ч е с к о е п о л и р о в а н и е. Чтобы иметь пред-
ставление о деформационном упрочнении после полирования
(полирование фетровым KpyroM с наклеенным абразивным зерном,
виброконтактное полирование абразивным зерном и др.), следует
различать наклеп после механическоrо полирования без предше-
71
ствующей механической обработки полируемой поверхности (на-
пример, после электрохимической оБР1!Ботки (ЭХО), рекристалли-
зационноrо отжиrа и др.) и наклеп после механическоrо полиро-
вания с предшествующей механической обработкой, т. е. с нали-
чием технолоrической -наследственности в поверхностном слое.
Деформационное упрочнение поверхностноrо слоя после ПО.1IИ
рования жаропрочных сплавов с предшествующей эхо составляет
для сплава ХН77ТЮР hH == 15 ... 17 мкм, а Ин 5 %, сплава
ЖС6К hH == 1 О ... 15 мкм, ИН 5 ... 8 %.
Полирование фетровыми круrами после эхо (предшествующее
виброконтактному полированию) практически не оказывает влия-
ния на наклеп, создаваемый виброконтактным полированием.
Наклеп после виброконтактноrо полирования с предшествую-
щим полированием фетровым KpyroM и шлифованием абразивной
.lIентой значительно возрастает по сравнению с наклепом, созда-
ваемым непосредственно виброконтактным полированием после
эхо. Так, для сплава ХН77ТЮР в этом случае rлубина наклепа
составляет около 30 мкм, а степень наклепа до 1 О %. Из этоrо
следует, что наклеп, возникающий в процессе шлифования абра-
зивной лентой, предшествующий виброконтактному полирова-
нию, удаляется при виброконтактном полировании лишь частично,
большая часть ero сохраняется как технолоrическая наслед-
ственность.
Э л е к т р о х И м и ч е с к и е м е т о Д ы о б Р а б о т к и.
Структура, фазовый и химический состав поверхностноrо слоя
после электрохимических методов обработки зависят от физико-
химической сущности процесса обработки и определяющих ero
условий. Для силовых деталей из жаропрочных сплавов, работаю-
щих в условиях высоких температур и аrрессивных сред, наиболее
перспективной является эхо.
Рентrеновские и металлоrрафические исследования поверх-
HocTHoro слоя жаропрочных сплавов,И ста.лей после эхо, а также
измерения микротвердости на поверхности косых срезов показы-
Бают, что в поверхностном слое после эхо упрочнения и измене-
ния ero микроструктуры не происходит.
В поверхностном слое посл эхо наблюдается незначительное
растравливание по rраницам зерен, и в некоторых случаях обра
ботанная поверхность покрывается Т'онкой оксидной пленкой.
fлубина растравливания для жаропрочных и титановых сплавов
зависит от режимов эхо и применяемых электролитов и состав-
ляет примерно не более 30 мкм. С увеличением плотности тока
при эхо жаропрочных сплавов (например, для сплава ХН77ТЮР
дО q == 45 ... 60 AjCM2) растравливания практически не наблю-
дается. Из этоrо следует, что при соответствующем выборе состава
электролита и режима эхо можно избежать появления растрав-
ливания rраниц зерен на обрабатываемой поверхности.
Электролитическое полирование жаропрочных сплавов в элек-
тролитах из ортофосфорной и серной кислот или вметаноловом
18
электролите также не вызывает какоrо либо упрочнения поверх-
HocTHoro слоя или изменения ero структуры. Но поскольку це-
лесообразность применения электролитическоrо полирования, как
и полирования друrими методами, оrраничивается малым при-
пуском на обработку (10 ... 50 мкм, не более), фактическое состоя-
ние поверхностноrо слоя после электрополирования будет опре-
деляться характером обработки, предшествующей электрополи-
рованию. Следовательно, в этом случае технолоrическая наслед-
ственность будет оказывать существенное влияние на физико
химическое состояние поверхностноrо слоя.
Электроэрозионная обработка имеет оrраниченное применение
для изrОТОВ.lIения ответственных деталей из жаропрочных сплавов.
Этот метод используется, например, для обработки лопаток
турбин за одно целое с диском в турбонасосном arperaTe, обработка
перфорационных отверстий в лопатках турбины и др.
Установлено, что поверхностный слой сплава ХН77ТЮР после
э.пектроэрозионной обработки и последующей термообработки
(температура HarpeBa 1240 ос, продолжительность HarpeBa в смеси
aproHa с трехфторовым бором 10 мин) имеет rлубину упрочненноrо
слоя 35... 50 мкм. Интенсивность упрочнения поверхностноrо
слоя при этом незначительна и составляет примерно 13 ... 15 %.
Такая rлубина и степень упрочнения поверхностноrо слоя свя-
заны с особенностями физико-химических процессов электроэро-
зионной обработки: высокими мrновенными температурами на
отдельных участках обрабатываемой поверхности, оплавлением
и насыщением поверхностноrо слоя (преимущественно по rраницам
зерна) уrлеродом из рабочей жидкости (керосина) и образованием
в нем карбидов хрома и титана.
Фазовые l1ревращения в поверхностном слое при механической
обработке. Эти превращения обусловлены пластическим деформи-
рованием и повышением температуры металла. В результате пла
стическоrо деформирования резко увеличивается вну ренняя
энерrия материала (около 10 % затрачиваемой на деформацию
энерrии поrлощается деформируемым материалом), что увели
чивает вероятность протекания фазовых превращений. Рост тем-
пературы металла во время обработки также способствует про-
теканию фазовых превращений, поскольку они являются терми-
чески активируемыми процессами. Кроме Toro, повышение TeM
пературы создает условия для перехода материаЛа в высокотем-
пературное СФС, а быстрое охлаждение после HarpeBa способ-
ствует протеканию мартенситных превращений.
Опревращении остаточноrо аустенита в мартенсит при Mexa
нической обработке закаленных сталей хорошо известно [71, 83].
При дробеметной обработке резко снижается содержание OCTa
4ir,очной -фазы в поверхностном слое титановоrо сплава BT3 1
[49 J.
HarpeB поверхностноrо слоя при шлифовании закаленных
мартенситных ста.ТIей приводит к отпуску (распаду мартенсита
79
:закалки), а в ряде случаев (при интенсивных режимах обработки)
к появлению вблизи поверхности плохо травящеrося: твердоrо
слоя вторичной закалки [83, 106],
При строrании заrотовок (со скоростями резания v ?':' 24 м/мин)
из железо..никелеВОI'О жаропрочноrо сплава наблюдается резкое
изменение периода решетки у--фазы, близкое по веJJичине к изме-
нению, характерному ДЛЯ процесса старения, которое приводит
к выделению в сплаве фазы NiзТi. Высокая температура при меха..
нической обработке способствует химическому взаимодействию
материала обрабатываемой заrотовки с ОI(ружающей средоЙ,
в частности, ее окислению.
Отметим также, что при пластическом деформировании MorYT
протекать процессы деформационноrо старения, Считается, что
зто старение обусловлено миrрацией примесных атомов к дисло-
кациям и химическим взаимодействием между атомами примесеЙ
и элементами матрицы '[1081.
Влияние обработки давлением на СФС поверхностнOI'О !;лоя.
Особое СФС формируется в поверхностном слое материалов и при
обработке давлением (объемной механической обработке). При
чины 3Toro явления следующие. Во первых, УСJiOВИЯ пластиче-
CKOI'O течения в поверхностном слое заrотовки отличаются от
условий течения в объеме вследствие сил трения между инстру"
ментом и поверхностью заrотовки. В зависимости от схемы и усло,.
вий деформирования поверхностный слой металла может быть
слабее или сильнее деформирован, чем металл в объеме. Во--вто-
рых, под влиянием сил трения поверхностныЙ слой заI'ОТОВКИ
наrревается. При холодной обработке труднодефьрмируемых спла-
вов температура поверхностноrо слоя может быть на i 00 ... 200
выше, чем температура металла в объеме. Повышение температуры
способствует протеканию в поверхностном слое возврата, рекри-
ста,/Iлизации, а также фазовых преврашений. В-третьих, при
I'орячем деформировании металла условия пластическоrо тече-
ния металла в поверхностном слое и металла в объеме отличаются
вследствие более интенсивноrо охлаждения наружноrо слоя ИН-
струментом. Поэтому после rорячеr-о деформирования метал.lJ.
в поверхностном слое обычно больше наклепан, чем металл
в объеме. Поверхностный слоЙ из сплава ЦМ-2А, подвеРl'НУТЫЙ
rорячей прокатке, отличается от металла в объеме искаженностью
решетки (более высоким зН'ачением ) и типом текстуры (рис. 2. J8)
[69 J. Результаты, свидетельствующие 06 особом структурном
состоянии поверхностноrо слоя заrотовки после объемной меха..
нической обработки, получены во мноrих работах, (например,
[80, 98 J),
Отметим, что деформация растяжением или сжатием также
приводит к формированию поверхностноrо слоя, отличающеrося
структурным состоянием от металла в объеме [4, 76, 102].
СТРlктурно фаЗ0вое состоя ие поверхностноrо слоя литых
деТ<l.леи. ИЗl'отовлению детален машин методом точноrо JШТЬЯ
80
уделяется большое внимание.
Это позволяет резко сократить
объем дороrостоящей механиче
скоЙ обработки, повысить коэффи"
диент использования металла. Oд
нзко литой заrотовке свойственна
значительная СТРУj'<турная неод-
нородность, что обуслов,лено пре
жде Bcel'o различной скоростью
иристаЛJIизации метаЛJIа по сече..
нию с,литка. Типичная макроструктура ОТЛИВКИ треХЗ0нная.
В поверхностном слое, [де кристаллизация происходит быстро,
возникает зона мешшrо paBHOJ3eCHOr'o зерна, Под этим CJюем рас..
ПОJIю'ается зона со столбчатыми зеРНЫilИ, перпендикулярными
к поверхности. Далее располаrается центральная зона КРУПНОj"О
рэвиоосноrо зерна. Ос'обенности криста.Т!лизации ОТ.ливок MHoro..
фазных сплавов обусловливают изменения в фазовом составе
поверхностноrо слоя по сравнению с центральной зоной. Напри-
мер, в никелевых жаропрочных СПJlавах наблюдаются изменения
количества и распределения по объему отливки упрочняющей
1" -фазы, карбидов и друrих фаз [55]. Неоднородность СФС ЛИТЫХ
заrо1'ОВОК по сечению обусловлена также неодн:ородностью хими-
ческо!'о состава вследствие макро- и микроликвациЙ, а также взаи
модействия отливки со стенками изложницы и окружающей средой.
Для Toro, чтобы уменьшить неоднородность СФС отливок по
сечению, литье производят в вакууме, изложницы И31'ОТОВЛЯЮТ
.из химически инертных материалов, после заливки металла изло;ж-
I-п.Jп;ы помещают в термостат:ы, проводят термообработку JIИТЫХ
деталей и друrие операции. Однако в некоторых случаях стремятся
специально отлить деталь, у которой СФС поверХНОСТНОl'О СJ!ОЯ
металла резко отличается от состояния металла в объеме, Напри-
мер, выплавляют детали с мелкозернистым поверхностным слоем.
ДЛЯ Э1'ОI'О в ьблицовочные слои изложницы вводят cnециальные
соединения (модификаторы). стимулирующие зарождение центров
кристаллизации при затвердевании отливки.
РИс.2. 18. Изменение fЮ.1IЮСНОЙ: ПЛОС!ЮС'J'И
P'hkl И полуширины дифракционной ,[ш.
нии (400) ПО сечению листа сплав" ЦМ-2А
после !'орячеЙ прокаткн
13,0
+
0,9
0.8
0,7
. и J'
@1to )
о" ' cr о "б"'"
о
" + ">H :2'f'"""F"F'f rt rr=:1 ,)
>!{51 IlOi4P,[4:. 4'&
0.1 0,2 0,5 0,1, 0,5 0,6 О, 7 0,8 0,9 1,0 1,1
Толщина листа, мм
2.3. ТЕРМОДИНАМИКА rЮВЕрхноспюrо СЛОЯ
Термодинамический анализ процессов, протекающих в поверх..
НОСТНОМ с,лое материалов деталей при их изrотовлении и эксплуа..
тации, необходимо ПрОЕОДИТЬ практически на всех стадиях техно-
Jюrических разработок, Это обусловлено тем, что макроскопиче-
ские своЙства веществ (термодинамика оперирует именно с макро'
1,'1[
скопическими величинами) характеризуют общее поведение мате-
риалов под действием внешних воздействий. Поскольку термоди-
намические законы универсальны, то их применение позволяет
определить мноrообразные зависимости между макросвойствами
и факторами, влияющими на эти свойства. Как показывает прак-
тика, наиболее часто встречаются ошибки при реализации термо-
динамическоrо подхода, которые связаны не с математическими
трудностями, а со сложностями аксиоматическоrо характера.
В связи с этим нам представляется особенно важным остановиться
сначала на основных законах термодинамики, которые базируются
на определениях и величинах, используемых в механике и rидро-
статике, например давление р, объем V, работа W и т. д. Наиболее
последовательное введение в термодинамику, на наш взrляд, было
проведено Каратеодори.
Основные положения аксиоматики Каратеодори сводятся
к следующему.
1. Под системой понимается оrраниченная каким-либо обра-
зом часть материальноrо мира, которая подверrается исследованию
и состоит из очень большоrо количества молекул и атомов. Разли-
чают открытые, закрытые и изолированные системы. Закрытые и
изолированные системы отделены от окружающей среды оболоч-
ками, препятствующими массообмену и энерrомассообмену соот-
ветственно. Состояние системы определяется независимым набором
опытных макроскопических данных, позволяющих предсказать
как результаты каждоrо последующеrо измерения, так и любые
друrие характеристики системы, невошедшие в этот набор.
2. Термодинамика оrраничивается рассмотрением состояний
равновесия (т. е. состояний, к которым самопроизвольно стре-
мятся изолированные системы) или квазистатических процессов
(т. е. процессов перехода системы из одноrо состояния в друлое
через непрерывную последовательность промежуточных равновес-
ных состояний).
3. Система называется однородной, если ее можно разбить
на идентичные, принадлежащие ей макроскопические подсистемы.
Совокупность же однородных, одинаковых по своим свойствам под-
систем, отделенных от остальных частей системы rраницами раз-
дела, называется фазой (феррит и аустенит в сталях, rазовая
фаза, жидкая фаза и т. д.). Две фазы являются сосущеСТВУI?ЩИМИ'
если они, имея rраницу раздела, молут находиться в равновесии
друr с друrом, причем это равновесие не достиrается лишь по-
средством диссипативных сил. Системы, содержащие одну фазу,
называются rомоrенными, а две и более rетероrенными. В тер-
модинамике чаще Bcero рассматриваются простые системы, которые
характеризуются тем, что каждая фаза имеет постоянные массу и
состав, поэтому для описания таких систем достаточно двух не-
завис мых переменных.
4. Из основных законов механики следует, что объем системы
однозначно задается давлением (система изотропна, однородна и
82
изолирована). Однако опыт показывает, что существуют процессы,
в результате которых при р == const изменяется объем. Такие
процессы называют термическими, а оболочки, окружающие си
стемы и исключающие термические процессы, адиабатическими.
.5. Если изолированная система состоит из трех фаз, отделен-
ных друr от друrа диатермической (неадиабатической) переrород-
кой, а фазы первая и вторая находятся в равновесии с третьей
фазой, то они также находятся в равновесии друr с друrом. Зна-
чит каждая фаза обладает измеримым свойством t == t (р, V)
TaKoro рода, что из условия '1 == tз и t2 == tз следует уравнение
t1 == t2 == t (р, V) (2.34)
rде t эмпирическая температура.
6. Соrласно основным положениям механики для перевода
системы адиабатическим путем из началрноrо состояния (поло-
жение 1) в конечное (положение 2) всеrда необходимо совершать
одинаковую работу, независимо от пути перехода. Эту работу
будем называть приростом внутренней энерrии
2
и2 и1 == J dW (адиабатически), (2.35)
I
rде U функция состояния, т. е. величина, дифференциал ко.
тор й является полным дифференциалом переменных состояния.
7. Для произврльноrо процесса 1 --+ 2 под разностью между
прирьстом внутренней энерrии и затраченной работой будем пони-
мать подведенную теплоту:
2 2
1 dQ == U 2 U 1 f dW (2.36)
или в дифференциальной форме
dU == dQ + dW.
, (2.37)
Положения 6 и 7 представляют собой формулировку первоrо
начала термодинамики, которое можно записать в виде дйфферен-
циальноrо выражения
k
dQ == Х; dXi.
i 1
(2.38)
rде Х; функция одной или нескольких переменных Xi; Х1 == и,
Х2 == V, Х3 == А и т. д. (здесь А площадь); k число перемен'.
ных состояния.
8. Второй закон термодинамики в теории Каратеодори форму
лируется следующим образом: сколь уrодно близко от любоrо со-
стояния rомоrенной или rетероrенной системы существуют сосед-
ние СОСТQЯНИЯ, 'не достижимые адиабатическим путем. Отсюда
можно найти условия, при выполнении которых будет существо-
83
вать интеrрирующий делитель t (Х1, ... , Xk) для выражения (2.38),
т. е. отношение dQ/t будет являться полным дифференциалом
d8 == dQ/t,
rде s эмпирическая энтропия.
Эти условия сводятся к уравнению
Х! Х} Xk ( (
--дiiдit == as/ax} == . .. == aS/aXk == t Х1, ..., Xk)' 2.39)
9. ПОД абсолютными температурой и энтропией понимают
функции вида
т == с ехр [J g (t) dt];
, S == С1 J Ф (8) d8 + с2,
rде g и) и Ф (8) функции эмпирических температуры и энтро-
пии; С, С1 И С2 константы.
Для квазистатических процессов соrласно (2.36) (2.41) можно
записать:
(2.40)
(2.41 )
k
Т dS == dU + р dV... Х! dXi.
1 2
(2.42)
Введение последнеrо члена позволяет учесть поверхностные
эффекты, влияние электрических и маrнитных полей и т. д. Рас-
пространение положений 1 9 теории Каратеодори на открытые си-
стемы и химические реакции возможно только при расширении
аксиоматики, поскольку энтропия была определена из (2.41) только
для изолированной системы как функция состояния, не зависящая
от масс компонентов.
Основные положения термодинамики rиббса [23]. Расширение
аксиоматики, проведенное fиббсом, удобно рассмотреть для одной
рабочей координаты V при сосуществовании двух фаз, представ-
ляющих собой закрытые подсистемы. Тоrда уравнение (2.42) можно
записать в следующем виде:
TdS == dU + pdV. . (2.43)
Каждая величина в правой части (2.43) связана с установле-
нием KOHTaKTHoro равновесия (термическоrо Т1 == Т2 И механи-
ческоrо Рl == Р2 соответственно), которое можно зафиксировать
Через подвижную переrородку, двиrающуюся без трения. Перемен-
ные и и V будем называть экстенсивными параметрами Xi'
Тоrда можно сформулировать следующие свойства KOHTaKTHoro
равновесия: а) каждое контактное равновесие можно получить за
счет адиабатической изоляции всей системы в целом; б) для экстен-
сивных параметров справедлив закон сохранения хр) + x 2) ==
== const; в) процессы, ведущие к равновесию, являются, адиаба-
тически необратимыми, поэтому энтропия всей системы при рав-
новесии имеет максимум (третье начало термодинамики); r) каж-
84
дое контактное равновесие определяет один интенсивный параметр
р*, для KOToporo справедливо
. (1) . (2) . дS
Р! == Р! и РI == д . (2.44)
Х!
Сравнивая (2.43) и (2.44), можно записать для интенсивных
параметров pi == 1/Т и Р2 == р/т. Исходя из приведенных опре-
делений и суммируя мноrочисленные экспериментальные данные,
можно заключить, что для числа молей nk каждоrо компонента
существует контактное равновесие, которое обладает перечислен-
ными выше свойствами. Тоrда второе начало термодинамики
в общем виде можно сформулировать следующим образом. Для
каждой фазы а, содержащей т компонентов, существует функция
состояния
S(a) Sa (u(а) V(a) (а) (а;) (а) (а;») (2.45)
== " Х2 , ..., Xk , пl , ..., пт ,
называемая энтропией фазы и характеризующаяся четырьмя ос-
новными свойствами:
1) дифференциал энтропии равен
k т
т(а) dS(a) == dU(a) + р(а) dV(a) X}a)dx}a) /-L a) dn}a); (2,.46)
J 2 ' I
2) при адиабатической изоляции dS о;
3) энтропия функция аддитивная
S == S(a);
а
(2.4 7)
4) величина т(а) является универсальной функцией эмпири-
ческой температуры фазы.
Уравнение (2.46) называется фундаментальным уравнением
rиббса, а величина /-Lt химическим потенциалом i-ro вещества
в а фазе:
(а) а ( дs(а) )
/-Lt == T дn(а) и(а) У(а) (а) (а)'
i .. xJ . nk=t=t
(2.48)
Так как энтропия изолированной системы никоrда не уменьшается,
то условия равновесия были сформулированы rиббсом посредством
виртуальных смещений S или и при фиксированных значениях
рабочих координат
(БS)u...; О либо (БU)s о.
(2.49)
Перепишем фундаментальное уравнение rиббса в энерrетиче-
ском виде:
k т
dU == т dS Р dV + Х J dXj + Е /-Lt dпj.
' 2 /...1
(2.50)
85
в качестве независимых переменных в (2.50) используются только
экстенсивные параметры (S, V, Xj, ni), которые трудно измерять
и контролировать. Интенсивные параметры (Т, р, Xj, i) В боль-
шинстве случаев леrко контролируются, поскольку определяются
через контактное равновесие, поэтому уравнение (2.50) удобно
преобразовать так, чтобы один или несколько интенсивных пара-
метров были введены в качестве независимых переменных при
сохранении полной информации о системе, Такую задачу можно
решить с помощью преобразований Лежандра. Полученные в ре-
зультате преобразований Лежандра трансформированные функции
называются термодинамическими потенциалами
k
'I'k == и p;XI, rде р; == ( ди ) . (2.51)
.i..J дх, IC J=Fi
' 1
При расчетах наиболе часто используют следующие термоди
намические потенциалы:
энтальпию или" теплосодержание Н == Н (S, р, n1, ... , пт);
Н == и + pv
т
dH == Т dS + V dp + .Е ! dni;
' 1
свободную энерrию rельмrольца F == F (Т, V, n1,
F == и TS
(2.52 )
, птН
т
dF== SdT pdV+ I-Lidni;
1 1
(2.53)
свободную энерrию rиббса о == о (Т, р; nl' ..., пт); О ==
и TS + pV
т
dO == S dT + V dp + , dni'
1 1
(2.54)
Используя (2.49), (2.52) (2.54), условия равновесия можно
п реобр азов ать
({jH)s,p.lI O; (БР)т,У'lI О; (БО)т,Р'lI О, (2.55)
Среди всех потенциалов в (2.52) (2.54) О находит самое широкое
применение; поскольку экстенсивными параметрами при постоян
ных Т И Р являются только числа молей, которые леrко измерять
и контролировать:
т
От, р == ini' (2.56)
1 1
Общие условия равновесия reTeporeHHbIX систем. Рассмотрим
закрытую систему с одной рабочей координатой V, состоящую
из т компонентов и 1] фаз без учета внешних сил, поверхностных
86
эффектов и химических реакций. Тоrда условие равновесия (2.49)
для каждой фазы будет иметь вид
т
бu{а) == т(а,) БS(а,) р(а) бv(а) + 1: Ik a) оп1а,);
( l
т
БU(Yj) == T(Yj) 6S(11) p(Yj) 6V{Yj) + 1:: Yj) бп1Yj);
( l
(2.57)
при этом
yj
.Е БU(CI.) == о;
c/' I
выполняются дополнительные условия:
yj yj yj
:Е БS(с/') == о; :Е БV(с/') == о; :Е бп1а) == о.
a, 1 c/' 1 a, 1
(2.58)
Решение такой экстремальной задачи можно провести методом
неопределенных множителей Лаrранжа. В результате получим об-
щие условия равновесия фаз в rетероrенной системе: термическое
равновесие т(С7.) == T( ) == ... == Т{l1); механическое равновесие
р(С7.) == р«(3) == ... == р(l1) и химическое равновесие (a) == (13) ==
== ... == (Yj). Если учесть возможность протекания химических
реакций, записав уравнение реакциЙ в наиболее общем виде
т
'(' v.B. == О
kJ l ,
{ I
то условие химическоrо равновесия будет следующим:
(2.59)
т
1} Vi!-ti == о, (2.60)
{ l
[де Vi стехиометрический коэффициент Bi-ro вещества.
Уравнение (2.60) является основным при анализе химических
процессов, протекающих при взаимодействии rазовой фазы с по-
верхностью материала.
Условия равновесия с учетом поверхностных явлений. Процесс
образования поверхности кристалла проще Bcero представить как
rазофазное осаждение мономолекулярноЙ пленки на исходную
поверхность при условиях, б,JIИЗКИХ К равновесным (2.49). Мини
маJIЬНУЮ работу, которую необходимо совершить для реализации
TaKoro процесса, называют поверхностным натяжением у:
у == dWm!n/dA, (2.6)
[де А площадь поверхности.
Если пленка является мономолекулярноЙ, то создание эле-
мента поверхности dA можно условно заменить растяжением
исходной поверхности под действием танrенциальных напряжений.
Пусть '"Ср время релаксации возникающих танrенциальных Ha
пряжений, а '"сд время протекания процесса деформации под
действием напряжений. Тоrда, если '"Ср < '"Сд. то натяжение у
будет постоянной величиной, а образование элемента поверхности
dA можно представить как процесс выхода атомов кристалла из
81
объема на поверхность. Если же "д «"Р' то последнее будет
несправедливо. В этом случае вводится понятие поверхностнО)'()
напряжения О'А и полной работы образования элемента dA:
W == O'AdA. (2.62)
Если поверхность имеет заданную ориентацию (задан единич
ный вектор поверхности т), то удобно ввести в рассмотрение по'
верхностныЙ потенциал аА
QA == уА.
Отсюда нетрудно установить связь между у и О'А:
dW == dQA == ydA + Ady;
dW ду
аА == dA == У + А дА .
Из (2.64) следует, что при постоянстве у величины у и О'А
равны.
Рассмотрим сначала двухфазную систему, в которой ОДШ1
из фаз является кристаллической, т. е. ее поверхностное натяж('"
ние зависит от, ориентации поверхности относительно элемеl-!ТОll
симметрии кристалла. Для описания такой системы удобно пол!"
зоваться большим термодинамическим потенциалом:
k
Q == Q (Т, V, 1' ..., т); Q == pV + :Е Xjdxj (2.65)
1 2
(2.6:»
(2.61)
или в более конкретном виде:
Q == PRpVRP PoVo + QA;
QA == J ydA,
А
[де QA поверхностныЙ потенциал; VRP и Vo объемы кристал-
лическоЙ и жидкой фаз; РI<Р и Ро давления в кристаллическоЙ
и жидкой фазах.
Тоrда условие равновесия rиббса приводит к вариационноЙ
задаче типа
(2.66)
БQ == РRрБVI<Р Ро БVо + б J ydA;
А
БVI<Р == M'o'
[де V 1: суммарныЙ объем.
При учете сил поверхностноrо натяжения оказывается, что
в равновесных условиях давления фаз не обязательно равны между
собоЙ и разность между ними, называемая поверхностным давле
нием, обусловлена искривленностью rраницы раздела:
dQA
Рп == Рир Ро == - dV кр . (2.68)
Пусть на линии единичной длины происходит пересечение трех
поверхностей, имеющих натяжения yj (j == 1, 2, 3) и разделяю
БVJ,;==О,
(2.67)
88
щих фазы. В случае, коrда каждое из натяжениЙ У} не зависит от
ориентации поверхности раздела, условие равновесия fиббса
можно записать следующим образом:
з
'(jmj О, (2.69)
{ l
[де у/п} сила, приложенная к единице длины линии rраницы
и деиствующая в направлении вектора mj.
Таким образом, в изотропном случае условие равновесия сво-
дится к равенству нулю равнодействующей сил поверхностноrо
натяжения. В случае, коrда все У) одинаковы (l'омоrенный изо-
тропный монокристалл) в равновесных условиях будет формиро-'
ваться тройной стык с уrлами по 120 о. Если же натяжение поверх-
ностей раздела зависит от их ориентации, то условие равновесия
будет иметь следующий вид:
з
[Yjm} + ( : }) n}] == О, (2,70)
{ l }
[де е} уrлы между нормалями n} и n! к поверхностям раздела.
Характерным в этом случае является присутствие в (2.70) век-
торов (ду/деj) пj, блаrодаря которым поверхности испытывают
на себе действие вращающих моментов, стремящихся повернуть
поверхность BOKpyr точки О.
Полученные с учетом поверхностных эффектов условия равно-
весия (2.69), (2.70) особенно важны при анализе таких процессов,
как рост кристаллов на стадии зародышеобразования, твердофаз-
ные реакции, коррозия и т. д. Конкретные методики термодина-
мическоrо анализа, используемые на практике, будут рассмотрены
при описании физико-химическоrо состояния поверхностноrо слоя
при эксплуатации деталей (rл. 3).
2.4. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ nOBEPXHOCTHOrO СЛОЯ
СинrУJIярные поверхности при Т...... О являются rладкими в от-
.lIичие от вицинальных поверхностей, которые вследствие разориен-
тировки имеют ступени и террасы (рис. 2.19). При знаЧительных
температурах О « Т < Тпл синrулярность нарушается, а на сту-
пенях и террасах вицинальных поверхностей, соrласно Френкелю,
Странскому и Косселю, появляются изломы, выступы, вакансии
и адсорбированные атомы. Френкель, Бартон, Кабрера и Франк
показали, что концентраuия изломов на ступени реальноrо кри-
сталла всеrда велика и может быть рассчитана с помощью уравне-
ния
1
ХО "2'0 ехр (W/kT),
(2.71 )
['де Хо среднее расстояние между изломами; 'о расстояние
между атомами в направлении ступени; W энерrия, необходи-
мая для образования излома; k константа Больцмана.
89
б J' .f
Рис. 2.19. Схематическое изображение ви-
цинаJIЬНОЙ поверхности кристалла при по-
вышенных температурах О Т < Т пл:
1 терраса; 2 ступень; 3 выступ; 4 иэ-
пом; 6 адсорбированный атом; б вакансня
е е
Валентные
!/PO(fHU
Вн!/тренние
!/ро8ни
Рис. 2.20. Схема оже-процесса: вы-
бивание электрона 1 с BHYTpeHHero
уровня вызывает переход электро-
на 2, сопровождающийся эмиссией
оже-электрона 3
При обычных условиях WikT == 8, поэтому хо достиrает ве-
личин 4ro. Кроме Toro, наличие дефектов поверхности вызвано
не только термическими флуктуациями, но и выходом на поверх-
ность дислокаций. На реальной поверхности кристалла, находя-
щейся в контакте с rазовой фазой (окружающей средой) возможно
протекание следующих процессов: физическая адсорбция атомов;
десорбция адсорбированных атомов; диффузия по поверхности;
переход атомов в хемосорбированное состояние; химические реак-
ции на поверхности; абсорбция хемосорбированных, атомов;
твердофазные реакции в поверхностном слое; выход атомов из'
объема на поверхность; химические реакции между хемосорбиро-
ванными и вышедшими на поверхность из объема атомами; десорб-
ция продуктов реакции и т. д. Очевидно, что совокупность пере-
численных выше процессов будет в значительноЙ мере определять
химический и фазовый составы поверхностноrо слоя. Получить
надежную 'информацию о скорости и степени протекания каждой
стадии расчетными методами практически невозможно, поэтому
при исследовании химическоrо и фазовоrо составов поверхностных
слоев обычно используют экспериментальные методы анализа.
Методы определения элементноrо состава rюверхностноrо слоя
деталей. Разработано большое число методов анализа элементноrо
состава поверхностных слоев материалов, но рассмотреть даже
кратко большинство из них в рамках данной книrи невозможно,
поэтому остановимся на тех, которые широко применяют не только
_ в исследовательских работах, но и в промыш,ленносТИ. Рассмат-
риваемые методы относятся к разрушающим методам контроля
состояния поверхностноrо слоя, поскольку для построения КОН-
центрационноrо профиля необходимо послойное удаление мате-
риала. Эrоrо добиваются путем распыления поверхностных слоев
пучком ионов инертных rазов (обычно Ar+) с энерrией 1 ... 10 кэВ,
химическим или электрохимическим травлением и т. д. Определив
скорость травления, можно рассчитать rлубину анализируемоrо
слоя и построить профили концентраций элементов (распределе-
ние . по rлубине).
90
А
л..J дЛ dN(E)
. ' v V' 'V V . d Е
4 ,f
Н t t t
N(Е)
3
Н
в
о
Е;
РИС. 2.21. Кривые N (Е) и dN (E)/dE энерrетическоrо' распределения вторичных
электронов при энерrии первичноrо пучка Ер
В 1925 r. П. Оже, работая с рентrеновскими лучами, обнару
жил, что эмиссия одноrо электрона часто сопровождается эмис
сией BToporo, причем скорость BToporo значительно ниже, а на-
правления обоих электронов не коррелированы. Оже-процесс
(рис. 2.20) является совокупностью релаксационных изменений
в электронной оболочке атома, вызванных выходом первичноrо
электрона. Иначе rоворя, образование оже-электрона является
следствием кулоновской перестройки электронной оболочки атома.
Лендер в 1953 r. предложил использовать оже-процесс для изу-
чения элементноrо состава поверхностных слоев, однако реали-
зовать эту идею удалось только в 1968 r. Харрису, который раз-
работал способ реrистрации оже-электронов с помощью электрон-
Horo дифференцирования полученной кривой распределения элек-
тронов по энерrиям (рис. 2.21). Данны!j метод получил название
электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Из рис. 2.21 следует, что
на кривой N == N (Е) можно выделить три зоны: А электроны,
испытавшие упруrое рассеяние. на поверхности; В зона харак-
теристических потерь энерrии; С вторичные медленные элек-
троны. На высоко- и низкоэнерrетические области зон С и В соот-
ветственно накладываются небольшие по абсолютной величине
пики 3, 4, 5, которые образованы оже-электронами. Электронное
дифференцирование кривой N (Е) позволяет точно зафиксировать
оже-пики и выделить их из общеrо фона (рис. 2.21).
Все элементы периодической системы имеют оже-Ilики (за ис-
ключением водорода и rелия). Высокая чу вств И те льЕ ОСТЬ метода
ЭОС к Состоянию поверхностных слоев материала обусловлена
небольшими величинами rлубины выхода оже-электронов 0,4 ...
3,0 нм. Это позволяет получать информацию от 2 ... 5 моно атомных
слоев. Чувствительность же по отношению к содержанию компо-
нентов в исследуемом веществе оrраничивается шумами в исполь-
зуемой аппаратуре и обычно не превышает 0,1 %, хотя теорети-
ческие оценки дают значения на три порядка меньше 1 0 4 %.
Принципиальная схема оже-спектрометра представлена на
рис. 2.22. Наиболее важными узлами установки являются вакуум-
91
с]
f)з
е;!
I / ':e'
I / '
{ )(+,l 1 :
'\ "7
'- е/
Ar+ 1
9
C;:::J
-:-8
Рис. 2.22. Схема оже-спек-
трометра:
1, 3 электронные пушки; 2
барабан с образцам н; 4 источ-
НИК питания; 5 самописец;
6 сннхронный детектор; 7
электронный умножнтель; 8
маrнитная защита; 9 иониая
пушка
ная система, позволя-
ющая создавать OCTa
точное разрежение р ...-;
...-; 10 6 Па, ионная и
электронная пушки,
энерrоанализатор типа
цилиндрическоrо зер-
кала, электронный умножитель и блок реrистрации. Высокий
вакуум необходим для Toro, чтобы, с одной стороны, уменьшить
скорость адсорбции остаточных rазов на поверхности образца,
а с друrой исключить возможность столкновений оже электро-
нов с компонентами rазовой фазы. Получаемая информация выво-
дится на телевизионный экран и двухкоординатный само-
писец.
Типичный оже-спектр, полученный при анализе образца из
сплава ВЖЛ12У без предварительной очистки поверхности, при-
веден на рис, 2.23. Поверхностный слой материала заrрязнен прц-
месными элементами (С, О) дО такой степени, что компоненты
матрицы (Ni, Cr, Со, Мо и др,) практически не идентифицируются.
Для сравнения на рис, 2.24 приведен спектр, полученный после
ионноrо травления Toro же образца в течение 45 мин. На этом этапе
исследования проводится качественный анализ элементноrо со-
става, который реализуется путем сравнения полученноrо спектра
с эталонными спектрами, записанными при предварительном
изучении свойств элементов таблицы Менделеева. Такие данные
приведены в работе [118] или MorYT быть табулированыдля каж-
доrо KOHKpeTHoro спектрометра.
272
Рис, 2.23. Оже-спектр сплава ВЖЛI2У,
полученный через 1 мин травления Ar+
(числа у пиков характеризуют энерrию,
эВ)
92
Рис. 2.24, Оже-спектр сплава ВЖЛI2У,
полученный через 45 мии травления
Ar+ (числа у пиков характеризуют энер-
rию, эВ)
При оптимизации технолоrических процессов и разработке
новых материалов необходимо иметь не только качественную, но
и количественную информацию об элементном составе поверхност-
ных слоев. Используя ЭОС, такие данные можно получать, уста-
новив связь между током оже электронов Ia и атомной концентра-
цией этоrо элемента Са.
Для количественноrо анализа на праКТИ,ке используют две
методики: коэффициентов элементной чувствительности [117, 118]
и чистых стандартов (элементов) с матричными поправками. Cor-
ласно этим методикам постулируется линейная зависимость между
оже-током 1 а (высота оже-пика на спектре peak to peak) и атомной
концеI1трацией:
Ia == SaCaconst,
rде Sa относительная чувствительность элемента а.
Тоrда для произвоiьноrо элем нта получим
С Z'" 1
'" S", :Е (/a/Sa)
а
Получаемая информация носит скорее полуколичественный
характер. Относительная чувствительность элемента устанавли-
вается путем эталонирования в идентичных условиях. Перед сня-
тием каждоrо "спектра-эталона проводится калибровка по образцу
серебра, коэффициент элементной чувствительности KOToporo для
оже-пика, соответствующеrо энерrии 352 эВ, принимается равным
единице. Тоrда S", определяется следующим образом:
S", == 1", (Е)/ 1 Ag (352 эВ).
Методика чистых стандартов с матричными поправками тоже
FIрименима только для однородных и rOMoreHHblx систем, однако
в данном случае частично учитывается влияние матрицы, а также.
избирательность травления. Последнее реализуется из решения
системы дифференциальных уравнений, записанной Фарманом
О17]:
(2.12)
(2.73)
' == ( XIYI + Х! i: XIYt) J, i == 1, 2, ..., n, (2.74)
' I
rде У! равновесный коэффициент травления; Х! концентра-
ция с поправкой; J плотность потока ионов Ar+.
После 30 ... 40 мин травления поверхности образца ионами Ar+
обычно достиrается состояние динамическоrо равновесия. В этом
случае концентрацию i-ro элемента можно определить следующим
образом:
Х; ==
%tYt
п
I: %аУо
а==1
(2.75)
93
[- 1
e
] 3
e :P
h-J
Рис, 2.25. Схема рентrеНОБскоrо элек.
'rpoHHoro спектрометра:
! ре!!тrеliовская трубка; 2 .. образец;
., ЭJхеКТрОliныili мо!!охроматор; 4 .. де-
тектор; 5 маrНIiТliая защита
5
...........l
Е,эВ
I
2LtO
I
235
I
225
I
230
I
Рис. 2.26. Линии 3d Мо в спектрах
Мо$2 (1) и МоОз (2). Пику Е-226 эВ в
спектре МоSй соответствует линия; 2$-
серы
Соrласно оценкам Чанrа и В. А. fорелика случайная ошибка
при определении элементноrо состава с помощью описанных выше
методик не превышает 30 и 8 % соответственно.
Рентrеновская электронная спектроскопия для химическоrо
анализа (ЭСХА) основана на известном явлении фотоэффекта с ис-
пользованием монохроматическоrо peHTreHoBcKoro излучения. Тео-
ретические основы метода ЭСХА были заложены еще Эйнштейном
в 1905 т. при объяснении фотоэффекта:
hv == Есв + Е1ши>
(2.76)
rде Есв энерrия связи электрона в металле; Енин кинети-
ческая энерrия электрона после фотоионизации.
Зная энерrию фотона hv и измеряя Енин. соrласно (2.76)
леrко рассчитать энерrию связи или ионизации, характеризую-
щие химическую связь атомов. Поскольку для каждоrо элемента
существует специфический набор значений Еов. то по ним можно
судить об элементном составе. Так как rлубина выхода фотоэлек-
тронов составляет несколько моноатомных слоев ,.., 5 нм, ЭСХА
может быть использована для исследования состояния поверх-
HocTHoro слоя. В отличие от оже-спектрометра в рентrеноэлек-
тронный спектрометр (рис. 2.25) встроены рентrеновский источни
и электронный монохроматор. Для возбуждения атомфв мишени
используется характеристическое излучение анода рентrеновской
трубки, которыЙ обычно изrотавливается из Аl ИJIИ Mg. Моно-
хроматизация peHTreHoBcKoro излучения осуществляется набором
фильтров или специальных кристаллов, размещаемых между
трубкой и образцом. Для фокусировки электронов используют
маrнитные, электростатические, дисперсные и бездисперсные ана-
лизаторы [68]. Чувствительность метода ЭСХА достиrает 10 1 ...
10 2 %. Так как ширина рентrеноэлектронных линий 0,5 ... 2 эВ
(в отличие от 10 .., 15 эВ для оже-пиков) ЭСХА позволяет полу-
94
Рис. 2.27. Схема БИМС:
1 образец; 2 разделяющее устрой-
ство; а .. детектор; 4 .. заПlIсывающее
!Устройство; 6 ЭВМ
чать информацию не только
о химическом, но и о фазовом
составе поверхностных слоев
(об этом можно судить по
сдвиrу пиков и изменению
их формы). Последнее orpa-
ничено существующим набором измеренных стандартных энерrий
связи для различных соединений [68 J. Блияние фазовоrо состава
на вид спектра иллюстрируется на рис. 2.26.
Количественный анализ химическоrо состава поверхности ос-
нован на предположении о линейной зависимости между интен-
сивностью линий и концентрацией исследуемоrо элемента (Ci)'
Тоrда для отношения интенсивностей каких-либо двух линий
спектра можно записать соотношение:
/1 1 Сl (2.77)
7;" == А -ё;' ,
rде А константа.
Выражение (2.77) позволяет определять отношение концентра-
ций C1/C2 и контролировать химический состав поверхности ис-
следуемоrо материала. Относительная поrрешность в этом случае
не превышает 20 %. Более точный расчет возможен при использо-
вании методики rрадуировочных кривых (10 ... 15 %).
В настоящее время вторичная ионная масс спектроскопия
(БИМС) -блаrодаря достижениям электроники и развитию теорети-
ческих основ метода используется для анализа элементноrо состава
даже мономолекулярных поверхно тных слоев. Действительно,
БИМС позволяет получать информацию о химическом составе
слоя толщиной 0,3 ... 0,5 нм, ПрИЧем чувствительность в среднем
paBI;Ia 10 4 %, Что в сочетании с друrими достоинствами метода
(относительно высокое пространственное разрешение ......0,1 мкм,
возможность получения информации о присутствующих в мате-
риале химических соединениях и т. д.) выводит ero на одно из
первых мест по достоверности получаемых данных среди всех
известных спектроскопических методов.
Сущность БИМС состоит впереводе поверхностноrо слоя мате-
риала в rазовую фазу и в разделении атомных и молекулярных
ионов по отношению их зарядов к массам (рис. 2.27). При прове-
дении количественноrо анализа, коrда необходимо определить
концентрацию i-ro элемента по измеренному току вторичных
ионов [! С поправкой на изотопный состав элемента массы Mi'
обычно используют основную формулу БИМС:
I! == Ipy! +cf,
(2.78)
95
тде J 11 "сила 'Тон:а пеРВ:НЧН ?j_Х ионов; стеl1ень ИQнизаrпr.и;
с . относитеJ1ьная концентрация (отношение фактичеСКОI'О числа
атомов i'I'O злемента с учетом всех н:зотопов к максимально БОЗ"
молшому ЧИСЛУ атомов в 1. см4); {'. коэффициент пропускания
аЩlJIиззтора,
Зная скорость. распыления :и ана,r.rизируn реrистрируемые масс"
спектры, rЮJiуЧают концентращюнвые профили. Блаrодаря воз'
можности ширО1Ш варьировать скорость распыления (NJO 4 "0
10 мкм/ч) BbICOKOBilKYY1VtHbIe уеТ<.1Н:ОВiШ, позвопяющие реализоваТh
метод БИМС, используют для Х11мическоrо анализа слоев толп.J,И"
ноЙ 1O 4.... ) 00 М:Ю/i ! ; 50.пее 'С;;.КИivi об€Clзоiiti, ВИМ.С _ применяют
,Д.l:IЯ ИССJкедования как процессов адсороции и десорбции, роста
:кристаллов, фазообразования, так и при изучении влияния РШj..
личных видов обработки на химический и фазовый составы МЕте..
риалов деталеЙ машин,
При химическом анализе поверхностных слоев матерf!3JIOвде-
талеи маШИБ наиболее часто '"СПОЛЬЗУЮТ количественныи peH'H e..'
новский микроанализ (PNiA) [1361, Это объясняется доступностью,
относительноЙ простоТ'ой и Законченностью методических разрабо..
ток, а также надежностью подучаемой информации.
В настоящее время используются два типа спектрометров:
с дисперсией по ДJ1инам ВQ.7Ш (кристаЛkдифракционныЙ спектра.,
метр КДС); с дисперсией ПО энерrии (энерrо..дисперсионный спек..
трометр ЭДС). Принцип работы микроанализатора с КДС состоит
в следующем. РентrеНОБское излучение, f'енерируемое в поверх.,
ностном слое образца при бомбардировке электронным пучком,
взаимодействует с поверхностью кристаЛkанализатора, дифраrн
руя соrласно закону ВУ,l1ъфа Брэrrа, и реrистрируется про'"
порциональным счетчиком. На ленте самописца осуществляется
непрерывная запись распределения интенсивности peHTl'eHOBcKoro
И:?J.J.Iученин в зависимости от уrла поворота кристаJI.п ана.l!изатора,
ЧТО ПОЗRО.ТlЯет Связать !10лож:ение пиков с длинами волн 'л, макси..
МУМОВ peHTreHoBcKoro излучения, характерными для присутствую'"
щих в образцах элементов в соответствии с законами ВУJIьфа .
Врэн'та (.2.20) и Мозли:
Л, """ B/(z С)2,
(2,'79)
л'де В и С ...... константы; z атомный номер элемента.
ЭДС позволяет непосреДС"lвенно измерять энерl'ИЮ квантов
ренттеновското излучения,
Дш! идентификации элементов используют стандартные таб
лицы [86 J. При l1роведении качественноrо Р.МА необходимо иметь
следующую априорную информацию: список точных значений
энерrии характеристических рентсеновских rшков для каж,доrо
ЭJ!емента; данные О сериях рентrеновских пиков для Данноrо эле-
мента. Такая информация обычно приводится в спраВОЧНИЕах
в виде таблиц и I'рафиков, а также может быть получена путем
эталонирования в идентичных условиях.
95
Присутствие в спектре всех возможных JIИННЙ элемента ПОВЫ
шает достоверность в ero иденти:фикации, ЧТО особенно важно :при
малых содержаниях элемента в материаJJе (менее 0,5 %),
Для количественноrо РМА обычно используют методику трех
поправок, . предложенную Кастеном. Сущность ее заключается
в измерении интенсивности рентrеНОБскоrо И3Jlучения, зареrистри
pOBaHHoro при съемке образца /1 и эталона /н в идентичных усло-
ВИЯХ, и расчете концентрации по формуле
С! ". (ZAP)i 71i " (2.80)
['де Z фактор рассеяния и тормож:ения электронов в образце
и эталоне; А фактор поrJIощения; F фактор флуоресценции.
Расчет ZАF поправки осуществляется на ЭВМ итерационними
методами. Относительная ошибка при исrюльзовании методики
Кастена достиrает 1 ." 5 %, но может быть уменьшена до lO' 3и...
10 4 % введением дополнительных поправок.
РМА, реаJшзуемый в соответствии с основными по.ложениями
методики Кастена, применя:ют при опреде.'lении хими:ческоrо
состава достаточно TOJICTblX поверхностных слоев, поскольку rлу
бина выхода peHTreHoBCKoro излучения достиrает OKOJIO 1 мкм.
Следует отметить, что с помощью РМА стало возможным иссл до
вать и тонкие поверхностные СЛОИ ("",,50 нм), однако методика Ta
I<ИХ измерений достаточно сложна в: трудоемка [10].
Сравнительная характеРИСТИ1са методов анализа химическоу'о
состава поверхностных слоев приведена в табл. 2.2. Сравнение
рассмотренных методов позволяет выявить возможности их при-
менения и выбрать тот или ИНОЙ метод ДШI решения поставленной
задачи.
Адсорбционная зона по:sерХНОС'i'lюrо СJЮЯ. Рассмотрим COBO
I{УПНОСТЬ процессов, протекающих на поверхности реалыюrо кри
сталла (см. рис. 2.19), находящеrося под воздействием MHorOKoMHo
нентной rазовой фазы при температуре Т, если парциальные дaB
ления компонентов равны Pj. При выполнении условий равновесия
(2.49), (2.55), (2.59), (2.70) тепломассопереноса между фазами не
происходит. Если же условия равновесия не зафиксированы, то
возможен преимущес'Твенный переход атомов криста.lIла в rазовую
фазу и, наоборот, атомов rазовой фазы на поверхность :метаЛJlа..
Последняя ситуация реализуется, например, в случае, коrда
реальное парциальное давление Ai-ro компонента больше даВJIения
р2 ero насыщенных паров. Величина OPi ::= Р; '- ' p называется
абсолютным пересыщением rазовоЙ фазы по Ai-MY KOMl1oHeHTY и
является движущей силой процесса массопереноса. На начальной
стадии при БРi > О протекает физическая адсорбция атомов А i rQ
компонента, под которой понимают обоrащение поверхности одним
или несколькими элементами. Отсюда следует, что поверхность
Jlюбоrо конструкционноrо материаJlа, ИСПОJlьзуемоrо в машино-
строении, чаще Bcero будет обоrащеиа адсорбированными эле-
4 Сулима А. М. 11 др.
97
2.2. Характеристика методов анализа хнмнческоrо состава
поверхностных слоев
Метод аиализа
Получаемая иифор-
мация I I I
эос эсхА' вимс РМА
Диапазон анализи- Z 3 Z 2 Z 1 Z 4
руемых элементов >Н
(Z атомный номер)
Вид анализа Количествен- Полуколичественный Количе-
ный для rOMo- ственный
reHHbIx си- для эле-
стем, для мента
остальных си- Z 11
стем полу-
количествен-
ный
Точность анализа, % '8...10 I 5 ... 10 50 10-4
Чувствительность, % 0,1 I 0,01 I 10-4 0,01
Толщина зоны отбора I 0,4 нм I 0,8,.. 4 нм I 0,4 нм 1 мкм
информации
ментами окружающей среды. or физической адсорбции обычно
отделяют хемосорбцию (в совокупности их называют просто
адсорбцией). Качественно эти два явления отличаются тем, что
физическая адсорбция является неактивированной и обратимой.
Однако хемосорбция, необратимая при одних условиях, может
быть обратимой и неактивированной в друrих условиях [88 J.
Важнейшими характеристиками процесса адсорбции являются
вероятность прилипания %, степень заполнения е* и изостериче-
СI<ая теплота адсорбции qst:
% == "ад/"};;
е* == Nад/N};;
2 (д 1п р )
qst == RT дТ 6.'
(2.81)
(2.82)
(2.83)
rде "ад число столкновений молекул rазовой фазы с поверх-
ностью, приводящих К адсорбции; ,,}; общее число столкнове-
ний; N ад число заполненных адсорбционных мест; N}; число
доступных адсорбционных мест.
Зависимость 0* от давления при постоянной температуре
называется изотермой адсорбции:
0* == 0* (р)т, (2.84)
98
тi
Ti О
848
о)
272
387
о)
Рис, 2,28. Оже-спектры жаропрочных железо-никелевоrо и титановоrо сплавов:
а после '1 ч травления поверхности ионами Ar+; б после отключеиия нонной пушкн
на 12 ч
Соrласно классификации Брунауэра, Деминrа и Теллера раз
личают шесть типов изотерм. Наиболее известными из них яв
ляются изотермы J и !! типов, которые MorYT быть описаны ypaB
нениями Ленrмюра 0* == Кр/(1 + Кр), Темкина 8* == C1 1п (CzKp)
и Фрейндлиха 8* == C1pI/C" rде К, C1 и Cz эмпирические кон-
станты. Скорость адсорбции можно оценить с помощью ВИДоиз
мененной формулы Ленrмюра:
== х р ехр ( qst/RT) (2.85)
nт ZmO) [ 1 + )( V k ехр ( Qst/ RT)] ,
ZmO)
rде n число адсорбированных молей; nт емкость монослоя;
V/t кинетический параметр; z.m число свободных мест, при-
ходящихся на единицу поверхности; (i) часто,та колебаний
молекулы в направлении нормали к поверхности.
Оценки, проведенные по уравнению (2.85), показали, что при
вакууме "'" 1,33.10 4 Па моно атомный слой на активных поверх-
ностях образуется уже через ,..., 1 с. Даже при р == 1 ,33 .10 8 Па
за 30 мин адсорбируются значительные доли монослоя О И С.
Таким образом, результаты теоретическоrо рассмотрения одно-
значно указывают на существование адсорбционной зоны, харак-
теризующейся элементным составом, значительно отли ающимся
от состава объема материала. Этот факт подтверждают эксперимен
тальные данные [88 J. Так, например, на рис. 2.28 приведены оже-
спектры, полученные для жаропрочных железо-никелевоrо и
титановоrо сплавов в процессе ионноrо травления поверхности
4*
99
('t'sp == 1 ч) и после отключения ионной пушки на 12 ч при
вакууме не ниже 10 в Па. Из рис. 2.28 следует, что поверх
ности сплавов заrрязнены адсорбированными атомами С, которые
присутствуют в атмосфере остаточноrо вакуума в виде уrлеводо-
родов. Избавиться от адсорбированных атомов удается только
в результате пятиминутноrо травления поверхности ионами Ar+
(Е == 3 кэВ) или посредством высокотемпературноrо отжиrа.
Наиболее подробно изучены процессы адсорбции Hz, Nz, СО,
02 И ряда металлов на монокристаллах W и Ni [88] при темпера-
турах 77 К и 300 К. Показано, что скорость адсорбции зависит
от ориентации кристаллоrрафических rраней и МИI<рошерохова-
тости вицинальных поверхностей. Адсорбированные атомы и мо-
лекулы находятся на поверхности I как в свободном состоянии,
так и в виде «островков» новых сложных фаз (оксиды, НИТРИДЫ1
карбиды и т. д.). В последнем случае удалить хемосорБИР9ваННlj>Iе
атомы HaMHoro сложнее (особенно при наличии оксидных остров-
ков). Например, авторам работы [44] не удалось даже в резуль,.
тате часовоrо отжиrа при 2000 К получить поверхность кристаЛJlа
Zr02 + 30 % У20з, свободную от уrлерода.
Зона адсорбированных на вицинальных поверхностях атомов
обычно не превь шает 5 ... 10 моноатомных слоев, причем наличие
этой области характерно даже для особочистых веществ. Основ-
ными компонентами зоны адсорбированных атомов являются С, О,
N, Н, S и различные соединения, СОДержащие эти элементы. Кон-
центрация С может достиrать 60 ... 90 %.
, Абсорбционная зона поверхностноrо CJюя. Абсорбцией назы-
вается процесс проникновения адсорбированных атомов в решетку
твердоrо тела.
С практической точки зрения значительно больший интерес по
сравнению с адсорбцией вызывает абсорбция примеснЬJХ атомов,
поскольку последняя приводит не только к изменению химическоrо
состава материала, но и к образованию новых фазовых состав-
ляющих системы металл примесь (в частности, Me B, Me C,
Me O). Механизмы абсорбции различны, причем основными из
них являются концентрационная и термическая диффузия, капил-
лярная конценсация в порах, радиационно-стимулированная диф-
фузия и др. Толщина абсорбционной зоны обычно достш'ает 10 1 ...
10+2 мкм. Она состоит как минимум из трех областеЙ: области
химических соединений, переходной области и области твердых
растворов. Образование первой. области чаще Bcero протекает
при повышенных температурах (больше 300 ... 600 ОС), причем
лимитирующей стадией является либо химическая реакция типа
Ме + 02 +'" МехОу, либо диффузия элементов [32].
Переходная область характеризуется наличием вкраплений
различных фаз в матрицу сплава. Наконец, область твердых ра-
створов отличается от матрицы более значительными концентра-
циями примесных элементов. В качестве примера приведем рас-
пределение фазовых составляющих в припо:верхностной зоне
100
С,%
100
75 75
50 50
25 25
10 а 10 102 103 104 о 10 2 /03
а А а /о
б) б)
Рис. 2.29. Зависимость концентрации фаз в стали Х 18НI0Т от rлубины слоя:
1 Fe20, + Fe,O.; 2 Ре; 3 Cr.O,; 4 Cr; температура поверхностн прн обработке
530 (а), 750 (6); 1200 ос (8)
хромоникелевой стали 12ХlВН10Т, облученной на воздухе неоди-
мовым лазером в режиме хаотической свободной rенерации с энер-
rией в импульсе до 40 Дж длительностью 10 3 с (рис. 2.29) [42 J.
rлубина абсорбционной зоны с увеличением температуры поверх-
ности при обработке 530... 1200 ос возрастает от 0,1 мкм до
50 мкм соответственно. Провести же четкие rраницы между об-
ластью химических соединений, переходной областью и областью
твердых растворов в данном случае не удается.
Химический состав повеРХНОСТlНоrо слоя литых деталей. Во
мноrих случаях заrотовки деталей машин получают методом точ-
Horo литья. Поскольку используемые в машиностроении стали и
сплавы представляют собой мноrокомпонентные, а чаще Bcero
и reTeporeHHbIe системы, можно предположить, что элементные
составы поверхностноrо слоя и матрицы после литья должны отли-
чаться. Действительно, для литых деталей из жаропрочных ни-
келевых сплавов характерно в поверхностном слое повышенное
содержание W и пониженное AI, Cr, Ti [55 J. Объяснить характер
реrистрируемоrо распределения проще Bcero для кристаллизации
бинарных сплавов, коrда концентрация одноrо из компонентов
мала.
В этом случае JIИНИИ ликвидуса и солидуса на диаrрамме
состояния состав свойство можно считать прямыми. Тоrда,
характеризуя процесс кристаллизации в равновесных условиях
с помощью коэффициента распределения ko, который представляет
собой отношение концентраций примесноrо элемента в твердой
C'fS и жидкой сж фазах (ko == Ств/Сж), можно определить концен-
трации примеси в первом выпавшем кристалле Сир == koco и в по-
следней капле жидкости сж == co/ko (Со концентрация примеси
в исходном расплаве). Очевидно, что примеси, для которых ko < 1,
будут оттесняться фронтом кристаллизации в жидкую фазу и,
101
наоборот, при ko > 1 примесные элементы будут КОlщентриро,
ваться в твердой фазе.
Приведенные рассуждения справедливы и при :ШЭJшзе ЭКСl1е
римеитальных концентрационных кривых распредеJIения элемен'
тов по rлубине монокристаллических заrотовок, Jj()луЧt':If!ШХ ме-
тодами направленной кристаллизации или зонн,)):j J1.'fаБКН. В ЭТОМ
случае распределение концентраций элементов описываете\{ ЭКСIJO-
ненциальной функцией и имеет два характерl1ЫХ СК3ЧI,З в Н::1ЧЭJJе
и конце слитка. Для получения более ОJ\НОРОДЮ.>JХ ПО химиче-
скому составу образцов концы слитков обрезают.
Химический состав nOBepXHOCTHoro слоя после обработки ре-
занием. В детал х после лезвийной и а6разннной обработки из-
менение химическоrо состава поверхностноrо слоя обусловлено
следующими причинами: 1) адсорбцией и абсорбцией элементов
режущеrо инструмента при ero контакте с обрабатываемой поверх-
ностью заrотовки; 2) возникновением температурных rрадиентов
в поверхностном слое; 3) различием в коэффициентах распределе-
ния и диффузии матричных элементов; 4) налипанием микро-
частиц материала на режущий инструмент и «размазыванием» их
по поверхности детали; 5) +:микрометаллурrическими» процессами,
протекающими при размазывании микровключеннй. [ю обраба-
тываемой поверхности при высоких локальных температурах;
6) адсорбцией и абсорбцией элементов, входящих в состав СОЖ,.
В качестве подтверждения таких заключений приведем ряд экс-
периментальных данных.
Полученные результаты РМА поверхностных слоев никельхром-
кобальтовых жаропрочных сплавов, подверrнутых лезвийной об-
работке твердосплавным инструментом (чистовое точение и фрезе-
рование), показали, что взаимное диффузионное растворение ин-
струментальноrо и обрабатываемоrо материалов протекает только
начиная со средней температуры резания 750 ос. Отмечается также
выкрашивание и унос силами адrезии частиц твердоrо сплава,
разупрочненноrо диффузионными процессами. Следует подчерк-
нуть, что зафиксировать начало протекания диффузионных про-
цессов при более низких температурах не удалось, ПОСJ{ОЛЬКУ l'ЛУ-
бина выхода рентrеновских лучей состаrзляст 1 МЕМ r66].
Результаты оже-анализа сплавов на основе ]"\0 и Nb послс
шлифования и полирования показали, что при полировании наблю-
дается избирательное вытравливание Ре. При шлифовании отме-
чено термическое активирование окислительных процессов и обо-
r'ащение nOBepxHocTHoro слоя железом [20].
Методом ЭОС было показано, что при шлифовании и полиро-
ВЩIИи поверхность сплава ВЖЛ12У обоrащается Со н Ре н за-
rрязняется примесями С и О.
При исследовании элементноrо состава шлифоваllНН!Х образцов
из сплава ВЖЛ12У, подверrнутых ионному леrнрованию Мо (TeM
пература облучения 650 ОС) обнаружено «размазы3аниб>> микро-
вк ючений на основе молиб-дена по поверхности,
102
Приведенные экспериментальные данные, а также общетеоре-
тические соображения указывают на существенную раэницу эле-
ментных составов поверхностноrо слоя и матрицы в процессе по-
лучения и обработки заrотовки детали.
2.5. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Остаточными напряжениями принято называть такие напряже-
ния, которые существуют и уравновешиваются внутри твердоrо
тела после устранения причин, вызвавших их появление. ПОЯВJIе-
ние остаточных напряжений связано с условиями изrотовления и
эксплуатации деталей.
Н. Н. Давиденков предложил' КJlассифицировать эти напря-
жения по протяженности их силовоrо поля:
напряжения 1 рода (макронапряжения) охватывают макрообъе-
мы, соизмеримые с размерами детали;
напряжения II рода (микронапряжения) распространяются
в микрообъемах (отдельных зернах, блоках и их rруппах);
напряжения III рода локализуются в субмикрообъемах, линей-
ный размер которых соизмерим по величине с межатомным рас-
стоянием. Считается, что эти напряжения вызываются точечными
дефекrами. Последние приводят к смещению атомов из узлов ре-
шетки (статическим искажениям).
Макронапряжения. Остаточные напряжения в детали возни-
кают в результате воздействия различных технолоrичеСких про-
цессов при ее изrотовлении.
Каждый технолоrический процесс, участвующий в механизме
образования остаточных напряжений детали, имеет свои особен-
ности, но в основе ero лежит необратимое неоднородное распре-
деление деформации по объему детали.
Неоднородное деформированное состояние детали может воз-
никнуть:
после неоднородной пластической деформации в результате
обработки металла или заrотовки волочением, ,прокаткой, ковкой,
холодной правкой, резанием, поверхностным пластическим дефор-
мированием, а также вследствие неоднородной пластической де-
формации при HarpeBe и охлаждении;
вследствие неоднородноrо изменения объема при I фазовых
превращениях как в твердом состоянии (закалка, старение, це-
ментация стали твердым карбюризатором и друrие физико-хими-
ческие процессы), так и при неоднородном протекании фазовых
превращений из жидкоrо в твердое состояние и, наоборот (цемен-
тация в жидких ваннах, электролитическое осаждение металлов,
усадка при кристаллизации отливки), а также из твердоrо в rазо-
образное состояние и, наоборот (азотирование, цианирование и
rазовая цементация стали).
В реальных условиях остаточные напряжения обычно возни-
кают при одновременном действии различных факторов: механиче-
103
ских, тешювых и физико,.хим:ических. Так, при пластической
деформации дета,JIей ИЗ сложных сплавов остаточные напряжения
MorYT возникнуть в результате одновременноrо неоднородноrо
протекаНИ5! процессов пластической деформации и фазовых пре
вращений.
Реальное распределение м:акронапряжений в поверхностном
СJюе заrотовок после обработки резанием в первом приближении
объясняю'!: дейетвием двух факторов механичеСlсоrо (ШIасти
ческоrо деформирования), обеспечивающеrо только сжимающие
напряжения, и 'l'еПЛОВОI'О (ню'рева поверхностноrо СJЮН) , являю-
щеrося причиной образования только растяrивающих напря:жений.
При обработке резанием вследствие трения между задней
rранью инструмента или наростом и вновь образуемой поверхно,
С1ЪЮ детали ее внешний слой подверI'ается пластической деформа-
ции растяжения, а слоЙ металла, лежащий ниже, растяrивается
упруrо. ПОСJlе про хождения резца упруrо растянутый внутренний
слой металла стремится сжаться, но этому препятствует наружный
пластически деформированный слой. В результате во внешнем
слое формируются напряжения сжатия, а во внутреннем -- растя
жения.
Внешний слой металла, наrреваясь в процессе резания, стре,
мится удлиниться, однако этому препятствует более холодный
внутренний слоЙ, следовательно, первый подверrается сжатию,
а второй растяжению. При интенсивном HarpeBe напряжения на
поверхности превзойдут предел текучести, что вызовет тlасти
ческую деформ:апию сжатия наружноrо слоя металла. Во время
последующеrо охлаждения внешний слой стремится сжаться до
размеров, iIеньших первоначальных на величину пластической
деформации сжатия. Этому будет препятствовать упруrонапряжен
вый внутренний слой. В результате во внешнем слое возникнут
напряжения растяжения, а во внутренних напряжения сжатия.
Таким образом, в зависимости от условий обработки резанием
доминирующим может быть или механический фактор, и тоща
на поверхности возникнут макронапряжения сжатия, или тепло
воЙ фактор, и тоrда на поверхности БОЗНИКНУТ макронапряжения
растяжения. <:хема будет нарушена, если процесс резания сопро'"
lf.lOждается фазовыми превращениями, являющимися иноrда более
СИJIЬНЫМ источником образования макронапряжений в поверхно..
стных слоях, чем механическиЙ и тепловоЙ факторы.
Недостатком описанной модели образования макронапряжений
является условность в раздельном рассмотрении действий меха,
ническоrо и тепловоrо факторов, а также то, что она не учиты-
вает направление силовой наrрузки, действующей на поверхност-
ный слой при обработке детали. Эта условность не отвечает реаль-
ной картине возникновения макронапряжений. Например, в зави
симости от направления СИJювоrо поля в поверхностном слое детали
MorYT создаваться как растяrивающие, так и сжимающие напря
женш .
HI4
Микронапряжения. Остаточные м:икронапряжения обусл{)в
лены наличием в мета,лле дислокаций, дис.тюкационных стенок (rpa-
ниц блоков и ячеек), дефектов УШ1КОВКИ и друrих дефектов, вызы-
Вающих деформацию и напряжения, которые убывают с ростом r
& '
медленнее, чем ,2. Кроме '1'01"0, микронапряжения появляются
в результате взаимодействия зерен между собой. Действие внеш
ней наr'рузки вызывает в реальном !10JIикристаJК,ТШ'IеСIШМ теле не-
одинаковую деформацию соседних зерен. Это обусловлено произ-
ВОJIЬНОЙ их ориентацией и анизотропиеЙ механических СlВойств
в кристаллах. Различие в степени деформации соседних зерен при-
водит к появлению в них микронапряжений.
Неоднородность деформации обычно УСИJшвается, если coceд
иие зерна представляют собоЙ различные фазы, характеризую-
щиеся разными механическими и физичеСЮiМИ свойствами. В МНО"
rофазных сплавах возникают межфазные микронапряжения.
При изменении температуры микрошшряжен:ия ПОНВЛЯЮ1ССЯ
ВСJIедствие наличия в материале различных фаз, имеющих разные
коэффициенты линейноrо расширения а, а также вследствие ани
зотропии физических свойств отдельных зерен, обусловливающей
различие в величине а вдоль разных кристаЛЛOI'рафических на-
правлений. Основным методом исследования микроиапряжений
(или, точнее, микродеформаций) является РСА.
Статические искажения. В механике сплошных ,сред МОЖНО
показать, что точечныЙ дефект вызывает упруrую деформацию
е "" , 3 (, расстояние до дефекта) *. Таким образом, на трав
нице зерна (б.лока) деформация и напряжение от TaKoro дефекта
имеют конечную веJ1ИЧИНУ, пропорциональную R 3 (R размер
зерна или блока). В то же время велич:ина статических смещениЙ
атомОВ из узлов решетки, обусловленных точечным дефектом,
быстро убывает с ростом т. Вызванные им статические искажения
значительны лишь на расстояниях, соизмеримых с межатомн:ым.
Смещения атомов (деформацию решетки) в иепосредствеююи БШiI-
зости от дефекта уже нельзя определить в рамках механики сплош-
Hbl}J.: сред. Поэтому термин {(напряжения ПI рода» весьма УСJЮВНЫЙ
и правильнее rоворить о «статнqеских искажениях решеТЮi». Ос-
новным методом исс,ледования статических искажении явлнется
РСА, IЮЗВО,ЛЯЮЩИЙ о-пределить среднее квадраТИ'cJ:еское <'::татичеСlt!:ое
смещение атомов из УЗJЮ13 решетки «и?»). '
Методы Оl1редеJlения остаточных Н3.l1р:li'!жепии, Наибольше(
распространение получили м е х а н и ч е с к и е м е т о Д ы оп-
ределения остаточных макронапряже:ний. ИХ МОЖНО разделить
на две основные rруппы: расчетные и экспериментальные (Hepa:
рушающие и разрушающие). Расчетные методы позволяюттеоре"
'" Дисперсные частицы новой фазы, выделяющнеся в зерне ИСХОДНОИ ф зы.
дислокационные петли и друrие дефекты, имеющие в трех измерениях Iюнечные'
размеры, также ПрИБDДЯТ )'{ деформации 8 r ЭО '
Ш5
тически рассчитать эпюру остаточных напряжениЙi на основе
данных о механических свойствах обрабатываемоrо материала,
форме и размерах детали и условиях mexaho-термичеСКОI'О Harpy
жения. Например, проф. А. В. Подзей разработал методику Teo
ретическоrо расчета макронапряжений при шлифовании, Коrда
доминирующим фактором J3 образовании макронапряжений яв
ляется теплота.
Расчетные методы обычно не позволяют с достаточной Д,ЛЯ
практИIШ точностью определять остаточные напряжения при слож-
ных процессах HarpeBa и деформирования.
Экспериментальные нерЗЗРУJ!Iэющие методы, основываясь на
изменении размеров деталей в результате воздействия наведен-
ных остаточных напряжений, позволяют определить их величину;
Деталь в этом случае не разрушают. Данный метод применяют
при определении остаточных макронапряжений в элеКТРОJIИтиче-
ских покрытиях по деформации катода.
К экспериментальным разрушающим методам относятся методы
определения макронапряжений по деформациям, возникающим
в результате рассечения тела.
Разрушающие методы основаны на предположении, что раз-
резка детали по данному сечению эКвивалентна приложению для
оста шейся ее части напряжений обратноrо знака. Эти обра,т:ные
напряжения вызывают деформации детали или силы реакции в YCT
ройствах, препятствующих деформации. Измеряя возникшие де-
формации (деформационные методы) или силы реакции (силовые
методы) можно вычислить остаточные макронапряжения.
Экспериментальные разрушающие механические методы при-
нято разделять на методы, связанные с полным и частичным раз-
рушением детали. К последним относятся «метод отверстий» и
«метод столбика», при помощи которых измеряют соответственно
деформацию оставшеЙся и отделяемой частей. Измерение дефор-
мации производится либо с помощью микроскопа по отпечатку
алмазной пирамиды, либо с помощью механических тензометров,'
рентrеновским методом либо с помощью датчиков активноrо сопро-
тивления.
К методам, связанным с полным разрушением детали, принад-
лежат почти все ,известные в настоящее время механические метоДЫ
определения нормальных напряжений в стержнях с поперечным
сечением, постоянным по всей их длине, в 'трубах (толстостенных
и тонкостенных), пластинах, дисках и друr'их телах простой reo-
метрической формы. Развиваются методы определения остаточных
напряжений в деталях сложной конфиrурации (впадины зубьев
шестерен, надрезы, резьбы, острые кромки и др.).
Р е н т r е н о в с к и е м е т о Д ы основаны на определении
изменения межплоскостноrо расстояния d в деталях при Действии
макронапряжений, т. е. на измерении деформации решетки. Макро-
напряжения приnодят к однородному, несимметричному изменению
меЖПJИ.Jiскостноrо расстояния Д.IJ:Я плоскостей (hkl) от ас до ао + Аа
106
и, следовательно, смещению дифракционной линии (hkl) на уrол
дd
L\O == d;; tg 80 == 8 tg 80' (2.86)
rде Во дифракционный уrол, соответствующий состоянию без
напрюю:ннй; 8 деформация решетки.
ОБЫЧIIО измеряют 8 вдоль нескольких направлений, COCTaB
JIЯЮЩНХ раз.IJичные уrлы 'Ф с нормалью к поверхности образца
(метод gjп Iф). Считая состояние поверхностноrо слоя плоско
напряженным, можно рассчитать rлавные напряжения 0"1 и 0"2'
ПОК<lзана необходимость учета в ряде случаев rлавноrо на-
пряжеНН51 0"з, направленноrо вдоль нормали к поверхности детали
(15]. в то же время установлено) что после строrания состояние
nOBepXHocTHoro слоя хотя и является плосконапряженным:, однако
одно из rлавных направлений не параллельно плоскости поверх-
ности [107]. При расчете O" CT следует помнить об анизотропии
механических свойств в кристалле.
Рен:тrеноrрафические методы являются неразрушающими при
исследовании напряжений в тонкой приповерхностной зоне тол-
щиноЙ h;::; 2 .10 2 мм. Их применение целесообразно для. опреде-
ления макронапr.яжений в деталях малых размеров и сложной
формы [59, 106 . I
В ряде случаев остаточные напряжения определяют по изме-
нению электромаrнитных свойств nOBepxHocTHoro слоя. Достоин-
ством этих методов является их простота, высокая производитель-
насть, возможность определения остаточных макронапряжений в
тонком поверхностном слое без разрушения детали. Однако для
построения полной эпюры напряжений требуется послойное страв"
ливание металла. Недостатком этих методов является прежде
Bcero низкая точность, поскольку электромаrнитные свойства
зависят не только от остаточных напряжений, а эпюры их MorYT
изменяться по различным законам в пределах исследуемоrо слоя.
Метод не позволяет также раздельно определять составляющие
остаточных напряжений.
Остаточные макронапряжения определяют также поляриза-
ционно оптическим методом. При этом исследуют модели прозрач-
ных и полупрозрачных оптически активных материалов (эпоксид-
ных смол, поликарбоната, стекла, плексиrласа, целлулоида и др.),
обеспечив в них rеометрическое, тепловое и механическое подобие
с деталью. В таких материалах скорость поляризованноrо света
зависит от ориентации и величины rлавных напряжений, что
позволяет по интерференционной картине найти напряжения [3].
Для этоrо используют поляризационно-оптическую аппаратуру.
Преимуществом поляризационно-оптических методов является
возможность изучения на прозрачных моделях взаимодействия
остаточных напряжений с напряжениями от эксплуатационных
наrрузок. Недостатком поляризационно-оптических методов яв-
ляется сложность и дороrовизна аппаратуры.
107
Влияние методов и режимов обработки на макронапряжения.
ТехнолоrИ'lеские факторы (методы и режимы обработки, rеометрия
и износ режущеrо инструмента, СОЖ и др.) оказывают большое
влияние на величину и знак остаточных напряжений. Точение
обычно вызывает появление растяrивающих напряжений 300 ...
700 МПа, rлубина их распространения зависит от условий обра-
ботки и составляет 50 ... 200 мкм. При фрезеровании возникают
как растяrивающие, так и сжимающие напряжения, последние
БOJIее характерны для попутноrо фрезерования жаропрочных
сплавов. Фрезерование титановых сплавов чаще Bcero сопровож-
дается образованием сжимающих напряжений. В процессе шлифо-
вания как правило создаютсЯ' растяrивающие напряжения. Ве-
личина и знак макронапряжений после механическоrо полирова-
ния ЗflВИСЯТ от предшествующей обработки, но в большинстве
С.lIучаев полирование способствует наведению незначительных
сжимающих напряжений 200 ... 300 МПа.
Состав СОЖ, способы их подвода в зону. резания оказывают
также влияние на величину и знак макронапряжений, возникаю-
щих в поверхностных слоях деталей, обработанных резанием.
Применение СОЖ вносит соответствующие, пока еще не выяснен-
ные до конца, изменения в физико-химические процессы, протекаю-
щие в зоне контакта с обрабатываемой поверхностью, обусловли-
вающие напряженное состояние поверхностных слоев. Известно,
что одни и те же среды, в зависимости от метода и условий обра-
ботки, оказывают неодинаковое влияние на величину и знак ос-
таточных напряжений. Применение СОЖ может способствовать
как увеличению, так и уменьшению остаточных напряжений по
сравнению с обработкой без СО/К. Характер влияния сож на
технолоrические макронапряжения в значительной мере зависит
от количества теплоты, выделяемоrо в зоне резания, которое опре-
деляет развитие процессов разупрочнения в поверхностном слое,
а следовательно, влияет и на ero напряженное состояние.
Для жаропрочных и титановых сплавов влияние режимов реза-
ния и' rеометрии инструмента на макронапряжения сводится
к следующему. Если об аботка резанием осуществляется .с темпе-
ратурой контакта ниже температуры протекания термопластиче-
ских деформаций, то в поверхностном слое возникают сжимающие
осевые напряжения, а касательные растяrивающие. С повыше-
нием температуры контакта независимо от Toro, чем оно обуслов-
лено скоростью резания или подачей сжимающие макро-
напряжения на поверхности уменьшаются. При температуре
начала термопластических деформаций * они переходят в растя"
* Термопластическая деформация произойдет, если выполняется условие:
0,5 (/2 t1) аЕ > <10.2, rде а коэффициент линейноrо расширения; Е мо-
дуль упруrости; t1 и t2 температура окружающей среды и HarpeBa соответ-
ственно. Для жаропрочных сплавов температура начала 'FермопластичеСII\ИХ
деформаций 600 ... 650 ос.
108
rивающие напряжения и при дальнейшем повышении температуры
макрона пр яжения возрастают.
Изнашивание режущеrо инструмента повышает величину
макронапряжений и rлубину их залеrания в поверхно
стном слое. Изменение переднеrо уrла от + 15 до 15 о при
ВОД,ит К незначительному снижению растяrивающих напря
жений.
Остаточные макронапряжения в сталях и сплавах после элек-
трохимической обработки не обнаруживаются.
Напряженное состояние поверхностноrо слоя после электро
литическоrо полирования зависит от вида обработки, предшест
вующей электрополированию. Так, например, в образцах из спла-
вов ХН70ВМТЮ и ХН70ВМТЮФ, прошедших электрохимическую
обработку ,с последующим электрополированием, макронапряже-
ния в поверхностном слое не обнаруживались. Но в образцах из
тех же сплавов, обработанных перед электрополированием меха-
ническим полированием, шлифованием и фрезерованием, в поверх
ностном слое обнаружены растяrивающие макронапряжения, мак-
симаJlыюе значение которых 150... 300 МПа при rлубине зале-
I'ания до 250 мкм. Эти макронапряжения, выявленные после элек-
трополирования, обусловлены обработкой, предшествующей элек-
трополированию .
2.6. ПАРАМЕТРЫ ПОВЕрхноспюrо СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕ.ТОДОВ И РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ
Поверхностный слой деталей из конструкционных сталей и
сплавов после механических и физико-химических методов обра-
ботки характеризуется в основном параметрами шероховатости
поверхности, rлубиной и степенью упрочнения и остаточными
макронапряжениями. rлубина наклепа поверхностноrо слоя после
обработки резанием металлическим и абразивным инструментом
возрастает с увеличением подачи, rлубины резания, радиуса
скруr.ления и износа режущеrо лезвия. rлубина резания при фре-
зеровании не оказывает заметноrо влияния на наклеп поверхност-
Roro слоя. Увеличение скорости резания, переднеrо и заднеrо уrла
режущеrо инструмента, зачистных рабочих ходов Kpyra, приме
нение СО)I( снижают rлубину наклепа. Степень наклепа поверх
HocTHoro слоя при обработке резанием близка к предельномузна-
чеIfИЮ. Для жаропрочных сплавов и сталей Ин 30 ... 50 %.
Степень наклепа мало зависит от изменения режимов и друrих
. условий обработки.
Деформационное упрочнение поверхностноrо слоя после меха-
ническOl'О полирования незначительно как по интенсивности, так
и по rлубине проникновения в поверхностный слой. Так, в жаро
арочных сплавах наклеп от виБРОКQнтактноrо полирования [Jосле
ЭХО характеризуется hи === 10 ...20 мкм И ИН == 5 ... 10 %. На-
109
клеп после полирования в значительной мере зависит от наклепа,
созданноrо предшествующей обработкой. Величина, знак и xapaK
тер распределения остаточных макронапряжений в поверхностном
слое детали, как и наклеп, зависят от методов и режимов обра-
ботки. Величина и fлубина их заJ!еrания возрастают с увеличением
скорости резания, подачи, радиуса скруrления и износа режущеrо
лезвия. При применении САЖ снижается уровень макронапря-
жений.
В процессе обработки резанием металлическим и абразивным
инструментом жаропрочных сплавов в поверхностном слое возни
кают преимущественно растяrивающие макронапряжения, имею-
щие максимальное значение на поверхности или в непосредствен-
ной близости от нее. Величина растяrивающих макронапряжений
и rлубина их залеrания в поверхностном слое при шлифовании
методом продольных подач больше, чем при шлифовании методом
врезания, в 1,5... 2 раза. Макронапряжения растяжения после
обработки шлифовальной лентой примерно в 2 раза l'4еньше, чем
при обработке шлифовальным KpyroM. Макронапряжения после
шлифования по велич:ине соизмеримы с макронапряжениями,
возникающими при точении и фрезеровании. Максимальные зна
чения макронапряжений, возникающих при виброконтактном по-
лировании после ЭХО, примерно в 2 '" 5 раз меньше, чем при
чистовом точении и шлифовании. Напряженное состояние поверх-
HOCTHoro слоя после механическоrо полирования существенно
зависит от характера обработки, предшествующей полиро-
ванию.
Методами дробеударноrо упрочнения (дробеструйное, rидро-
виброrалтовка) в поверхностном слое создаются сжимающие макро-
напряжения, величина и rлубина их залеrания зависят от режима
упрочняющей обработки.
Напряженное состояние поверхностноrо слоя после обработки
элеК1Iрохимическими методами зависят от физико-химических
процессов снятия припуска с обрабатываемой поверхности и усло-
вий, определяющих ero протекание. В процессе электрохимической
обработки и электролитическоrо полирования не происходит уп-
рочнения и изменения микроструктуры в поверхностном слое, если
при этом отсутствует технолоrическая наследственность, связанная
с предшествующей обработкой. С увеличением плотности тока
улучшается параметр шероховатости поверхности и уменьшается
растравливание по rраницам зерен.
Электроэрозионная обработка создает в поверхностном слое
термохимическое упрочнение и технолоrические макронапряже-
ния, величина которых зависит от режима обработки.
Значения параметров поверхностноrо слоя жаропрочных и
титановых сплавов (ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ,
ХН70ВМТЮФ, ХН55ВМТФКЮ, ХН56ВМКЮ, ЖС6К, ЖС6КП,
BT3-1, ВТ8, ВТ9 и др.) после различных методов и режимов об
работки приведены в табл. 2.3.
110
2.3. Параметры поверmостноrо слоя жаропрочных и титановых сплавов после различных методов обраоотки
I Деформационное упрочнеиие Макронапряжения (максимапь-
Лараметр ше. ные значения), МЛа
МеТОД обработки роховатости I I
Ra, мкм I касательные осевые ::!=ОО
I"пубина, мкм степень, % ZO''t'
Точенне:
чистовое 3,0 ... 5,0 100...150 35 ... 50 200 ... 600 400 ... 200
окончательное 1,0 ... 2,5 80 ... 100 30...40 250 ... 400 500 ... 100
Фрезерованне:
встречное чнстовое 3,0 ... 5,0 50 ... 150 40 ... 60 350 ... 500
попутное чнстовое 3,0...5,0 30 ... 80 25...50 250 .., 400
Шлнфованне:
KpyroBoe врезаннем чнстовое 0,8... 1,5 60 ... 100 40 ... 50 500 ... 700 100 ...300
KpyroBoe врезаннем окончательное 0,5...1,0 40...70 40 ... 50 300 ... 400 100 ... 200
KpyroBoe с продольной подачей чистовое 0,8 ... 2,0 70 ... 90 35...40 500 ... 700 200 ..0 3оО
KpyroBoe с продольной подачей оконча- 0,6 ... 0,4 400.050 35...40 400 ... 500 200 ...300
тельное
плоское черновое (после ЭХО) 3,0 ... 5,0 50 ... 65 40 ... 50 400 '" 550
плоское чнстовое 0,8...1,25 50 ." 60 35 ... 40 400 ...500
плоское окончательное 0,3 ... 0,2 40 ... 50 30 ... 35 350 ... 400
плоское тонкое 0,15 ... 0,1 30 ... 40 25...30 200 ...300
Полирование:
фетровым KpyroM с наклеенным абразив- 0,3 ...0,15 30 ... 50 30 ... 40 400 ... 500 200 ... 400
ным зерном (после точення, шлнфования)
....
,.."
;:;
Продолжение табл. 2.3
Метод обработки
Параметр ше-
tfОХОВ81'ОСТИ
. Ra, МКМ
Деформациоиное упрочиение
I
!
,
,
,
I
I
i
i
1\rlакронапряжения {максимапъ..
вые эначення} l'v1Па
ir.1lу6Иifiа. МКМ
осевые ::!:О'о
степень, %
Касательные
= а..
iВиброконтактное (после ЭХО)
виброконтактное (ПО 1е полирования
фетровым KpyroM и ЭХО)
виброконтактное {после полирования
фетроiВЫМ !{pyroM, шлифования шлифо-
вальной лентой и ЭХО)
ЭлеКТРОПОJ1ИРОiВание (после ЭХО) q '==
== 30 Ai дм2
Электрохимическая обработка:
q == 10....15 AiCMg
q == 20 о" 25 Ысм2
q == 30 ... 35 Лiсм2
Электроэрозионная обработка с последую-
щей термообработкой
rидроrалтовка (после ЭХО)
Виброrадтовка (после ЭХО)
Деформациоиное упрочнение микрошари-
ками
0'30'00,15 !о ... 20
0,2 ... 0,3 JO ." 15
0,2... 0,3 20... 35
0,3 ... 0,15
0,6 ... 0,25
0,5 ...0,2
0,3 ... 0,2
10 ... 6 50... 70
0,4 ... 0,65 20 ... 80
0,07...0,2 50... 100
0,2 "о 0,6 50 ... 80
б... 10
5 еео 10
8 ... 15
!о ... 20
20...60
15 ... 25
10 ... 40
100 ... 300
250 ... 300
I
I 250 .., 350
I
I
I
I
I
!
i
I
I 200 ... 300
I
I
I 400 ... 500
зоо .., 500
700 ... 1000
f
I
2.7. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
nOBEPXHOCTHoro СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
ДЛЯ характеристики и оценки неровностей поверхности, CTPYK
туры, фазовоrо и химическоrо состава поверхностноrо слоя дe
талей после различных методов и режимов обработки рекомен-
дуется следующая классификация параметров поверхностн:оrо
слоя (табл. 2.4).
2.4. Параметры поверХl!остноrо слоя
Хараllтеристика поверх-
ностиоrо слая
Нанменование параметров
I Обозначение
R тах
Неровности поверхности:
шероховатость
напраВJ1ение
ностей
неРОЕ-
волнистость
Физико-химическое со-
стояние nOEepXHocTHoro
слоя:
структура
Наибольшая высота неровностей про-
филя, мкм
Высота неровностей профиля по де-
сяти точкам, мкм
Среднее арифметическое отклонение
профиля , мкм
Среднее квадратическое отклонение
профиля, мкм
Средний шаr неровностей профиля, мм
Средний шаr местных выступов про-
филя, мм
Радиус скруrления впадин неровно-
стей, мкм
Относительная опорная длина профи-
ля, %
Уrол между направлением неровно-
стей и направлением действия внеш-
ней наrрузки, о
Высота волнистости поверхиости, мкм
Средний шаr волнистости поверх-
ности, мкм
Размер зерен, мкм
Форма и распределение зерен
Ориентация решетки монокристалли-
ческоrо материала
Текстура поликристаллическоrо ма-
териала
Плотность дислокаций, CM 2
Концентрация вакансий
Размер (форма) блоков, нм
Уrол разориентировки бло,КОВ, о
Размер областей KorepeHTHoro рас-
сеяния, нм
Среднее квадратическое смещение ато-
мов, вызванное статическими искаже-
ниями решетки, нм2
Среднее квадратическое смещение ато-
мов, вызванное их тепловыми колеба-
ниями, нм2
Rz
Ra
Rq
3т
3
'ш
tp
аш
Wz
3w
lз
PD
Cv
lб
CGб
(D)
(и})
(u2)
113
Продолжение табл. 2.4
Характеристика поверх-
HOCTHoro споя
Наименование параметров
I Обозначение,
фазовый состав
химический состав
деформация
(наклеп)
остаточные напряжения
экзоэлектронная эмис-
сия
Число, концентрация и распределе-
ние фаз
Тип кристаллической структуры фаз
Параметры решетки фаз, нм
rрадус
Профиль концентрации элементов в
поверхностном слое, %
Концентрация элементов в фазах, %
Степень деформации, %
fлубина наклепа, мкм
Степень наклепа, %
fрадиент наклепа, НУ/мм
Микродеформация решетки, %
Макронапряжения (напряжения l-ro
рода), МПа
Микронапряжения (напряжения 2-ro
рода), МПа
Статические искажения решетки (на-
пряжения 3-ro рода), МПа
Интенсивность эмиссии, импульс/с
Работа выхода электронов, эВ
fлубина выхода электронов, нм
MS
а, Ь, С
0::, В. '1'
С (х)
Сф
е
hи
Uи
urp
( )
О'ост
"
О'ост
"
О'ост
l
q>
А
Данная классификация, наряду с известными параметрами
шероховатости и волнистости, деформационноrо упрочнения, оста-
точных напряжений, содержит параметры химическоrо состава и
структурно-фазовоrо состояния, а также экзоэлектронной эмис-
сии. Такая классификация более полно отражает физико химиче-
ское состояние поверхностноrо слоя, она, может служить основой
для разработки рекомендаций, отраслевых нормалей и стандар-
тов для нормирования параметров поверхностноrо слоя с учетом
заданных условий эксплуатации и технолоrическоi'О обеспечения.
rЛАВА 3
УСТОЙЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ
ПОВЕРхностноrо СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
3.1. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
в процессе эксплуатации в результате истирания, смятия и
окисления трущихся и контактирующих поверхностей деталей
изменяется шероховатость поверхностноrо слоя. Наибольшим
изменениям шероховатость поверхности подверrается в начальной
стадии эксплуатации изделия в период приработки. В этот
период происходит интенсивное изнашивание поверх.ностей тре-
ния: исходные неровности пластически деформируются, разру
шаются и образуют новые оптимальные неровности, ориентиро-
ванные по направлению относительноrо движения трущихся
поверхностей.
Длительность периода приработки зависит от первоначальной
шероховатости поверхности, свойств материала детали, давлений,
скgростей, смазочных материалов и друrих условий эксплуатации.
После приработки, несмотря на износ, параметры шерохова
тости поверхности на протяжении Bcero периода работы детали
остаются практически неизменными. Кроме Toro, для каждorо
KOHKpeTHoro сопряжения (подвижноrо и неподвижноrо), работаю-
щеrо в условиях знакопеременной деформации, имеется свой
оптим?льный параметр шероховатости. Если такой параметр
шероховатости поверхности обеспечить при механической обра
ботке, то износ и длительность приработки трущихся поверхно
стей будут минимальными. При этом следует отметить, что по-
верхность с минимальной шероховатостью не всеrда является
наиболее износостойкой.
Различие в структуре и свойствах металлов трущихся поверх-
ностей деталей приводит к образованию в процессе трения и износа
различноrо рельефа поверхности; обычно после приработки он
принимает характерный волнообразный вид.
Одной из важных закономерностей приработки является неза
висимость установившеrося оптимальноrо значения параметра
шероховатости от первоначальноrо. Оптимальное значение пара-
метра шероховатости может быть в несколько раз ниже или выше
исходноrо. Учитывая влияние мноrочисленных факторов на изно-
состойкость деталей, целесообразно создавать поверхности дeTa
лей с параметром шероховатости, несколько выше оптимальноrо.
В этом случае незначительное удлинение периода приработки и
115
увеличение начальноrо изнашивания по сравнению с оптимальной
шероховатостью компенсируется снижением стоимости обработки
заrотовки.
Для определения оптимальноrо параметра шероховатости де-
талей применяют статистические методы, основанные на MaTeMa
тической обработке результатов измерения профилоrрамм по-
верхности трения. Данные представляют в виде кривых распре
деления неровностей. Вычислительные операции при статистиче,.
ской обработке экспериментальных данных выполняют с помощью
ЭВМ.
Применение статистических методов позволяет наиболее полно
оценить шероховатость поверхности, так как помимо высоты не-
ровностей эти методы определяют закон распределения неровно"
стей по высоте, коэффициент заполнения профиля, реrулярную и
случайную составляющие профиля, радиус закруrления HepOBHO
стей, шаr неровностей, уrлы наклона боковых сторон профиля
к средней линии и друrие параметры. Устойчивость в процессе
эксплуатации параметров поверхностноrо слоя неподвижных сое-
динений деталей, работающих в условиях KOHTaKTHoro цикличе-
cKoro наrружения, зависит от факторов, не сходных по своему
характеру с действующими при формировании оптимальной поверх-
ности подвижных соединений.
Ориентировочные нормы на шероховатость поверхности под-
вижных и неподвижных напряженных соединений деталей дви-
rателей летательных аппаратов следующие:
Деталь
Вал турбины (поверхности под подшипники)
Передняя и заДНЯЯ цапфы ротора компрессора
Диски ротора компрессора (торцовые шлицы)
Лопатки турбины:
замок . . . . . .
перо лопатки ..
Лопатки компрессора:
замок . . . . . .
перо лопатки
.'
Парамет!, R/J, мкм
0,63... 0,5
0,63 ... 0,5
2,5 ... 2
1,25... 1
0,32... 0,25
1,25,.. 1
0,63... 0,5
Основным фактором, определяющим характер изменения пара-
метров поверхностноrо с.JIоя неподвижных соединений, ЯВJIяется
фреттинr коррозия. Механизм фреттинr-коррозии представляет
собой совокупность различных взаимосвязанных процессов: КОН-
TaKTHoro схватывания, дисперrирования, окислительных и дру-
rих химических процессов, абразивноrо изнашивания, микроп,ла-
стических деформаций и усталости.
Условиями возникновения фреттинr-коррозии являются зна-
чительные контактные давления; малые относительные перемеще..
ния циклическоrо характера контактирующих поверхностей (де-
сятые и сотые доли миллиметра); отсутствие возможности удале-
ния продуктов износа из зоны контакта. Эти условия являются
типичными для напряженных rладких и шлицевых соединении,
116
Рис. 3.1. Изменение шероховатости поверх-
ности пера лопатки турбины в зависимости от
наработки (профилоrраммы записаны при вер-
тикальном увеличении в 5000 раз):
1 , исходиая !1IepoxoBaTocTb; 2, 3 шерохова-
тость поверхности после 5 и 30 мин эксплуатации
соответственно
2
подверl'ающихся совместным цикли
чески м деформациям ПОД действием
импульсных наrрузок и вибраций.
К таким соединениям относятся тор-
цовые шлицевые соединения дисков компрессора, шлицевые со-
единения валов, замки лопаток и др.
Исходная шероховатость поверхности при фреттинr коррозии
резко увеличиваетс;я, в поверхностном слое детали образуются
дефекты (ямки и язвы). На поверхности контакта имеются харак-
терные следы абразивноrо износа, образованные под воздействием
дисперсных окисленных частиц высокой твердости. Процесс изна-
шивания сопряженных поверхностей при фреттинr коррозии отли
чается высокой скоростью и интенсивностью, при ЭТО!\1 значительно
снижается сопротивление усталости деталей.
Устойчивость в процессе эксплуатации параметров поверхност-
Horo слоя деталей, работающих в условиях окислительноrо ВОЗ-
душно-rазовоrо потока, рассмотрим на примере эксплуатации
лопаток турбины и компрессора [ТД.
На поверхность лопаток оказывает комплексное воздействие
(химическое, тепловое, механическое и вибрационное) высоко..
скоростной rазовый или ВОЗДУШНЬJй поток, который вызывает
диффузионные процессы окисления и коррозионно-эрозионные
разрушения поверхностноrо слоя.
Неоднозначность скоростей и давлений потока в различных
точках поверхности приводит к большой неравномерности пласти-
ческоrо деформирования, эрозионноrо разрушения и изнашивания,
в результате исходная шероховатость и микрорельеф поверхности
пера лопатки в различных сечениях изменяются неравномерно.
При высоких температурах возрастает аrрессивность потока, ин-
тенсифицируются процессы окисления, способствующие ускорению
изнашивания и изменению микрорельефа, возникновению выкра-
шивания (питтинrов) и зарождению на поверхности лопаток микро-
трещин. При повышенных температурах в деформированном по
верхностном слое протекают процессы возврата и рекристаллиза-
ции, причем упрочнение разупрочнение на отдельных участках
поверхности пера лопатки может повторяться MHoroKpaTHo, сrю-
собствуя разрушению материала.
Изменение шероховатости поверхности пера лопатки из сплава
ХН77ТЮР после испытаний в скоростном воздушном потоке при
М == 1,6 и температуре 800 ос показано на рис. 3.2. Испытания
показали, что с увеличением температуры, времени выдержки и
117
I
[),1
o,Z
I
o,J
I
fl/f
I
О/}
I
0,0' мм
Ra.MKM
Рис. 3.2. Изменение шероховато-
сти поверхности полированных JЮ-
паток из СПJIава ХН70ВМТЮ:
(1, 2 8 номерц .испытанных лопаток)
1,25
100
200
,
скорости воздушноrо (ra-
зовоrо) потока шерохова-
тость поверхности растет,
образовавшиеся ВПадины
(следы абразивноrо износа)
рельеф поверхности по сравнению с ис-
Нара6атка , ч
создают более rрубый
ходным.
Большой практический интерес представляют данные по изуче-
нию характера изменения шероховатости поверхности лопаток при
эксплуатации в зависимости от исходной шероховатости, получен-
ной после различных методов обработки.
Изменение шероховатости поверхности изучалось на моделях
лопаток турбины в процессе их продувки потоком турбинноrо
rаза (смесь продуктов Сfорания дизельноrо топлива и воздуха)
на специальной установке. Скорость течения rазовоrо потока
у лопаток равнялась 280... 300 м/с, температура rаза 500 "с.
Испытывались модели лопаток из жаропрочных аустенитных ста-
'лей, обработанных точением, фрезерованием, шлифованием и
полированием. Параметр шероховатости поверхности рабочей
зоны пера Ra == 5 ... 0,08 мкм. Установлено, что в процессе
продувки первоначальный параметр шероховатости пера моделей
лопаток нарушается и устанавливается шероховатость Ra == 2,5 'н
0,63 мкм. Подобное изменение ИСХОДНОfО параметра шероховато-
сти поверхности наблюдается при продувке чистым rазом в тече-
ние 140 ч, а при продувке rазом с частицами золы разме-
ром не более 25 мкм через 40 ч. Замечено также, что ПОJIИ-
рованная поверхность с шероховатqстью Ra == 0,32 ... 0,08 мкм
имеет меньшую сопротивляемость эрозионному разрушению ПОД
действием fазовоrо потока по сравнению с поверхностями после
точения и фрезерования, имеющими параметр шероховатости Ra ;;;;::
;;;;:: 0,8 мкм.
Аналоrичные опыты с натурными лопатками из жаропрочноrо
сплава на никелевой основе ХН70ВМТЮ были проведены вепо-
,средственно на fазовой турбине. Исходный параметр шероховато-
сти пера лопатки составлял после точения и фрезерования Ra ==
== 1,6 мкм, после шлифования Ra == 1,6 ... 0,40 мкм, после по-
лирования Ra == 0,20 мкм. Результаты испытаний лопаток под-
твердили выводы, полученные ранее на моделях лопаток.
В процессе работы rазовой турбины шероховатость пера J!O-
патки изменяется тем значительнее, чем ниже исходная шерохо-
ватость поверхности. Перо лопатки после точения и фрезерования
с Ra == 1,6 мкм в течение 300 ч работы турбины сохраняет исход.
ную шероховатость поверхности, и только после 300 ч работы
наблюдается ее незначительное ухудшение, Лопатки со ШJ!ИфО
118
ванной поверхностью при Ra == 1,6 м:км сохраняют исходную
шероховатость только до 200 ч, а у полированных лопаток с шеро
ховатостью Ra == 0,20 мкм с первых часов работы турбины наблю-
дается ее интенсивное повышение (рис. 3.2).
Изменение шероховатости поверхности пера лопатки компрес-
'сора вызывается в основном поверхностной эрозией и коррозией.
Эрозия чаще Bcero возникает в результате воздействия пыли, песка
или каких-либо друrих частиц. Эрозионное разрушение поверх
ности происходит постепенно, леrко обнаруживается в эксплуата-
ции. Изменение исходной шероховатости пера лопатки турбины
происходит в большинстве случаев вследствие коррозии, или,
реже, - эрозии.
3.2. ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ
При эксплуатации деталей наблюдается как упрочнение, так и
разупрочнение их поверхностноrо слоя, поэтому структурные из-
менения в поверхностном слое металла чрезвычайно разнообразны.
Они связаны с изменением количества и распределения дефектов
кристаллическоrо строения: вакансий, дислокаций, rраниц зерен
и т. д.
Структурные изменения при трении протекают в несколько эта
пов [91 J. На начальном этапе происходит увеличение плотности
дислокаций, образование их скоплений, формирование ячеистой и
фраrментированной структур. Деформационное упрочнение и со-
ответственно тонкая структура по поверхности трущихся деталей
при этом имеют неравномерный характер, что обусловлено дис-
кретностью контакта при трении. С увеличением пути трения струк-
тура поверхностноrо слоя становится более однородной, стабили-
зируется. Это связано с окончанием периода приработки. После
периода временной стабилизации структуры поверхностноrо слоя
наступает период разупрочнения. Механизм разупрочнения может
быть различным. Например, изменение плотности дислокаций PD
в поверхностном слое никеля при трении по молибдену имеет
циклический характер: после повышения PD происходит ее сниже-
ние до исходноrо уровня, затем опять повышение и т. д. Сниже-
ние PD обусловлено отслаиванием материала тонкой приповерх-
ностной зоны, а также образованием продуктов износа. В друrих
случаях разупрочнение может быть связано с образованием особых
«вторичных» структур. Например, в условиях избирательноrо
переноса, характеризующеrося чрезвычайно малым износом, паде-
ние Рп вблизи поверхности (в слое толщиной", 1 мкм) обусловлено
адсорбцией поверхностно-активных веществ смазки на поверхности
детали, что облеrчает выход дислокаций на нее. При этом вБJIИЗИ
поверхности образуется металлическая пленка с низкой плотно-
стью дислокаций и высокой концентрацией вакансий. Такая струк-
тура материала обусловливает малое сопротивление сдвиrу и леr
кие условия формоизменения в зоне контакта. Под этой пленкой
119
находится тонкий оксидный слой и даJlее слой металла, в котором
сохраняется повышенная концентрация ДИСJIOкаций. Формирова
ние такрй структуры связано и с изменениями химическоrо состава
поверхностноrо слоя в результате процессов избирательноrо aHok
ното растворения компонентов сплава и интенсивной диффузии
элементов среды и сплава. Избирательный перенос свойствен.
широкому Kpyry материалов: меди и ее сплавам, никелю, сталям.
Интенсивные структурные изменения, обусловленные д bp
мационным упрочнением с последующим разупрочнением, проис
ходят в поверхностном слое деталей при работе в условиях цикли
ческих наrрузок. Разнообразные изменения в структуре наб.lIЮ
даются при натреве детали с деформированным поверхностным
слоем. Происходящие при этом процессы принято подразделять
на возврат (включающий отдых и полиrонизацию) и рекристалли
зацию (первичную, собирательную и вторичную).
Под возвратом понимают совокупность всех структурных изме-
нений, за исключением тех, которые связаны с движением больше
уrловых rраниц зерен. Процессы возврата MorYT протекать при
низких температурах, составляющих десятые и даже сотые доли
от температуры плавления Тшх металла. Отдых является первой
стадией возврата, на которой снижение внутренней энерrии дефор-
мированноrо материала, обусловлено, в основном, анниrиляцией
точечных дефектов (рекомбинацией вакансий с межузельными ато-
мами) и их миrрацией в стоки (дислокации, rраницы и т. д.).
: Твердость и уширение рентrеновских линий при отдыхе меняются
мало, однако происходит заметное «восстановление» некоторых
физических свойств: электросопротивления, BHYTpeHHero трения.
При более высокой температуре наблюдается полиrонизаЦJIЯ,
включающая процессы формирования и развития полиrональной
субструктуры в результате перераспределения и анниrиляции
дислокации противоположных знаков. Дислокации при этом фор-
мируют стенки, являющиеся малоуrловыми rраницами: субзерен
(полиrонов). Размер полиrональных субзерен обычно достаточно
велик (10 4 ... 10 2 мм), они практически не дают вклада в уши ре-
ние рентrеновских линий, поэтому полиrональную субструктуру
обычно исследуют микроскопическими методами и методом peHT
rеIiОВСКОЙ дифракционной микроскопии. Внутренняя э?ерrия при
ПО.rшrонизации снижается в большей мере, чем при отдыхе.
Снижение плотности дислокаций ведет к значительному yMeHЬ
шению физическоrо уширения реНТf'еновских линий. Твердость
металла снижается в меньшей степени.
Исследования разупрочнения образцов из жаропрочных спла-
вов ХН77ТЮР, ХН70ВiV!.ТЮ, ХН55ВМТКЮ после обработки
шлифованием, фрезерованием и обкаткой роликом показали, что
вакуумный отжиr при температурах 700 ... 750 ос практически не
отражается на степени упрочнения Ин. При более высокой темпе
ратуре ИН начинает снижаться и при 900 ос .падает приблизителыю
на 40 ... 70 % от перв:нач льной величины (рис. 3.3 и 3.4). Рас-
120
пределение микротвердости
по rлубине деформирован-
Horo поверхностноrо слоя об-
разцов из сплава ХН70ВМТЮ
дО и ПОС.lIе HarpeBoB показано
на рис. 3.5.
Резкое снижение твердо-
сти наблюдается при рекри-
сталлизации, характерной
чертой которой явдяется пе-
ремещение большеуrловых
rраниц зерен. Рекристалли--
зация протекает обычно при
Т ;с; О,4Тпл. При первич-
ной рекристаллизации (ре-
кристаллизации обработки)
в наиболее искаженных об-
ластях металла (у rраниц
зерен, двойников, пачек скольжения и др.) возникают заро-
дыши новых зерен (центры рекристаллизации) с неискаженной или
значительно более совершенной, чем у матрицы, решеткой. Эти
новые зерна растут за счет поrлощения деформированных кристал-
литов в результате миrрации большеуrловых rраниц. Возникнове-
ние центров рекристаллизации является флуктуационным и тер-
мически активируемым процессом, поэтому, чтобы вызвать ре-
кристаллизацию, необходима некоторая минимальная (критиче-
ская) степень деформации 8ир'
Величина Вир зависит от
большоrо числа факторов
(степени однородности физи-
ко-химическоrо состояния
наклепанноrо метаJша, ско-
рости и температуры иаrре-
ва, исходноrо размера зерен
и др.) и находится в преде-
лах 1 ... 15 %. Кроме Toro,
температура начала (окон-
Рис. 3.3. Изменение степени накле-
па в образцах из сплава
ХН70ВМТЮ после фрезерования,
шлифования и обкатки роликом в
зависимости от температуры отжиrа
(111,%
30
iIJ
z
20
J
10
о
25
73
100
50
Режимы оориоотки ТемпеfJuтljflU ноере#о, ос
7щt) 900(2) 975(3) rиfO(4
ШОl1фtJUuнuе sп=о,О5ммjtllJ.х, V о О .6
ФреJCjJO#UНl1е Sz=o,OSMM/.JijO ... .. lIi .в.
иомтки jlO/lIJKOM P=J,fOUH V " I!J J;
011,%
'"
40
v
+
'"
"'I!'
()g
30
'1'
20
10
о
700
{}ои
!JUU
t,D
,
Режимы OOPI100тK/L
8ы'"iёpжкu, l/
2 2s 1ии
о л
Ш/lифоffu- ,,=U,05MMji/ll.xo4RrН,J.fN. V
ние ,OIMM/iIIl.xOiJ, Rtr-fl,32м \1'
ФР/!JерuUuнuе J'z (J,OSИМ/J!lо/{u=5МКМ l'
<>
х
"
*
Оокuтка
рО/1иком
Р=ШООН
P 5ooиH
Р=10ииин
ф
v
'"
е
01(
'11
..
+
'"
Т,"
Рис. 3.4. Изменение степени накле-
па в образцах из сплава
ХН55ВМТФКЮ после фрезерова-
ния, шлифо;зания и обкатки роли-
ком в зависимости от продолжи-
тельности изотермическоrо HarpeBa
121
HV
HV
520
40
а)
60 h,I1Kf1
20 40 h,f1KM
о)
HV
520
20 h ,МКМ
б)
Рис. 3.5, Изменеиие микротвердости поверхиостноrо слоя сплава ХН70ВМТЮ
после фрезерования (Sz == 0,05 мм/зуб, Ra 5 мкм) (а) и шлифования (Sп ==
== 0,05 мм/дв. ход, Ra 1,25 мкм) (6), (Sп == 0,01 мм/дв. ход, Ra 0,32 мкм) (в)
в зависимости от температуры и продолжительности изотермическоrо HarpeBa:
,/ 20 ос; 2 800 ос, 2 ч; 3 800 ос. 25 ч; 4 800 ос, 100 ч; 5 875 ос, 2 ч; 6 ,
875 ос, 25 ч; 7 950 ос, 2 ч; 8 950 ос
чания) первичной: рекристаллизации зависит от степени дефор-
мации 8 и длительности отжиrа -r: при увеличении 8 и 1: тем-
пература рекристаллизации снижается, асимптотически прибли-
жаясь к некоторому предельному (пороrовому) значению. На.-
пример, для сплава ХН77ТЮР значение температуры начала
(числитель) и конца (знаменатель) первичной: рекристаллизации
в зависимости от 8, равной 10, 25, 40 и 55 % (при 1: '=' 1 ч)
соответственно составляют 990/1000,875/975,850/975 и 840/9700с.
Конечный размер зерен после первичной рекристаллизации
зависит от 8 и В меньшей мере от температуры HarpeBa: обычно
он снижается с ростом 8 И снижением температуры. Исследование
процесса рекристаллизации железо-никелевоrо жаропрочноrо
сплава после вальцевания позволило выявить зависимость сред-
Hero объема зерен Vcp в поверхностном слое от 8. Отжиr вели
в вакууме при 1080 ос в течение 0,5 ч. Для определения VcP был
и'спользован рентrеноrрафический метод [14].
Зависимость Vср/Ир от 8 приведена на рис. 3.6 (Ир cpek
ний объем зерен в образце, предварительно деформированном
с 8 9 %). Рост 8 до 8* 40 % ведет к снижению Vcp,
В процессе рекристаллизации растут новые зерна, ориентация
которых как прщзило отличается от ориентации роrлощаемых ими
кристаллов, поэтому при рекристаллизац и обычно изменяется
текстура материала, причем характеристики текстуры рекристал-
лизации зависят от 8. Это иллюстрирует рис. 3.6, на котором приве-
дены зависимости полюсной плотности (Phk1)OTII '=' Phl111P kl от
е (P kl полюсная плотность для образца с е '=' 2 %, пр инятоrо
122
для сравнения за эталон)
для образцов после рекри-
сталлизации.
Зерна продолжают расти
и после исчезновения де-
формированных кристаллов
(Т. е. после завершения пер-
БИЧНОЙ рекристаллизации).
Движущей силой этоrо роста является снижение свободной
энерrии в результате уменьшения протяженности rраниц зерен,
обладающих конечной поверхностной энерrией. Укрупнение зерен
идет за счет поrлощения кристаллитов с выпуклыми rраницами.
При этом средний размер зерен увеличивается, но распределение
зерен по размерам мало меняется. Эта стадия называется собира-
тельной рекристаллизацией или нормальным ростом зерен. Миrра-
цию большеуrловых rраниц MorYT замедлить дисперсные частицы
второй фазы, наличие сильной текстуры и друrие факторы. При
эффективном торможении нормальноrо роста наблюдается ано-
мальныЙ рост зерен (вторичная рекристаллизация), При этом
идет очень быстрый рост небольшоrо числа зерен, блаrоприятно
ориентированных для аномальноrо роста. Образующаяся после
вторичной рекристаллизации структура часто имеет текстуру,
которая всеrда отлична от ранее существовавшей, Из рис, 3.6
следует, что при 8 <: 45 % наблюдается сильный рост величины
Уср, причем резко меняется и текстура образца. Это указывает
на протекание вторичной рекристаллизации после деформаЦIIИ
с :высокой 8. R данном случае торможение нормальноrо роста зерен,
вероятно, обусловлено наличием сильной текстуры и дисперсных
карбидов.
Для описания кинетики изотермическоrо возврата и первичной
рекристаллизании обычно используют зависимость вида
Рис. 3.6. Зависимость структурных
IItзрзктеристик образцов из железо-
иикелевоrо жарОIIрочноrо СIIлава
после отжиrа от степени деформа-
пии при вальцевании:
1 V срl V p' расч т по днфракцвов-
выы пнвням (1]]) (х) н (20О) (о); 2 ... 6
(Phkl)O'fB ДЛЯ плоскостей (100), (110),
(111) н (3Н) соответственно
Vcp / Vc
12
(Р hKL)omH
5
х
8
ID
"
3
6
2
.
4
2
О
О
10
30
40
Е,%
20
х == 1 ехр ( В1:п),
(3.1)
rде Х - доля Босстановленноrо при возврате свойства или pe
кристаЛJlизованноrо объема; 1: время изотермическоrо отжиrа;
В и п коэффициенты (на стадии возврата п == 1, а при объем
ной рекристаллизации 3..;;: п ..;;: 4).
Структурные изменения в деформированном металле при Ha
{'реве MorYT иметь ряд особенностей, обусловленных ф1!Зико-
123
химическим состоянием сплава, видом и степенью деформации,
условиями HarpeBa и др. [80 J.
Отметим, что механическая обработка (шлифованием и поли
рованием) монокристаллических образцов из никелевоrо сплава
типа ЖС, а также заrотовок, выплавленных методом направлен-
ной кристаллизации и состоящих из нескольких крупных макро-
зерен, ,с последующим HarpeBoM до 975 ... 1000 ОС, в частности,
при испытаниях на долrовременную прочность, ведет к рекри-
сталлизации наклепанноrо металла и образованию на поверхности
поликристаллическоrо слоя. Толщина ero зависит прежде Bcero
от rлубины на.клепанноrо слоя и имеет величину порядка десятков
микрометров.
3.3. ХИМИЧЕСКИЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
Изменение химичеСКQrо состава. Состояние поверхностноrо
слоя детали при ее ЭКСПЛУ!lтации непрерывно меняется. Изме-
нение химическоrо состава обусловлено в основном взаимодей-
ствием l\i!еталла с окружающей средой. При этом ЭJlементы среды
проникают в поверхностный слой детали. rлубина их проникно-
вения зависит от коэффициента диффузии D, времени взаимодей-
ствия t и может быть оценена величиной VDt. Значение D мо-
но найти в работах [12, 93 J. Следует отметить, что величина D
зависит от температуры (соrласно закону Аррениуса), вида диф-
фундирующеrо элемента и материала детали. Повышение плот-
ности дефектов КРИСl'аллическоrо строения (прежде Bcero вакан-
сий) может резко повысить D и усилить диффузионные процессы.
Соrласно первому закону Фика плотность диффузионноrо потока
i-ro компонента gi пропорциональна rрадиенту ero концентрации
в металле VCi:
gi == Di, VCi,
rде Di коэффициент диффузии i-ro компонента.
Наблюдается насыщение уrлеродом и кислородом поверхно.'
cTHoro слоя медно-алюминиевых сплавов (бронз) при трении
о сталь 45 в условиях уrлеводородной смазки [73 J. Химический
состав поверхностноrо слоя определили методом qлектронной
оже-спектроскопии. Концентрация и rлубина проникно:вения hc
уrлерода и кислорода зависели от условий испытания, в частности,
от вида смазки. Величина hc достиrала значения порядка 10 l мкм.
Обнаружено также, что при трении в rлицерине наблюдается
анодное растворение А! в слое rлубиной 10 1 мкм. При использо-
вании в качестве смазки химически инертной среды (BepeTeHHoro
масла А9) на rлубине 10 2 мкм состав сплавов был близок к объ-
емному.
В последнее время большое внимание уделяется наводорожи-
ванию поверхностных слоев деталей в процессе трения, что ведет
к преждевременному выходу их из строя в результате «BOДOpOД
124
Horo износа» [34 J. Наводороживание Iюверхностноrо слоя металла
ЯВJIяется результатом разложения уrлеводородных смазочных
материалов при трении, а также преимущественной диффузии
водорода, содержащеrося в металле, к поверхности. Наводорожи-
ванне оказывает существенное влияние на величину и характер
распределения деформации по rлубине nOBepxHocTHoro слоя де-
таJIИ в процессе трения, на величину силы трения.
Изменение химическоrо состава поверхностноrо слоя наблюда-
ется и при электрохимической коррозии. Например, проведено
оже-спектроскопическое исследование поверхностноrо слоя сплава
ХН40МВД после выдержек в кипящей 5 % -ной серной кислоте
1112 J. В поверхностном слое сплава наряду с серой, а также i{аль
цием и кремнием (являющихся продуктами разрушения стенок
стеклянной колбы, в которой велись испJ:,пания) обнаружено зна
чительное повышение содержания Си и Мо, Это обусщ)влено
меньшими скоростями растворения Си и Мо по сравнению с Fe
и Ni, т. е. избирательностью коррозии.
Наибольшие изменения в химическом составе поверхностноrо
слоя детали наБJIюдаются при высокотемпературной химической
коррозии. Это объясняется прежде Bcero резким возрастанием
коэффициента диффузии с повышением температуры, При хими
ческой коррозии также происходит насыщение поверхностноrо
слоя детали элементами среды (например, кислородом и серой в де-
талях rтд).
Коrда концентрация этих элементов превосходит предельно
допустимую концентрацию для формирования твердых растворов,
они образуют соединения с металлическими компонентами сплава
(например, оксиды и сульфиды). Разные компоненты сплава в
различной степени участвуют в процессе коррозии, поэтому в
в поверхностном слое детали обычно наблюдаются недостаток
активно корродирующих элементов и соответственно избыток
С,lIабо корродирующих. Таким образом, в поверхностном слое
возникает rрадиент концентрации элементов и начинается их
диффузионный перенос. Диффузионный поток активных элементов
направлен к поверхности. В том случае, коrда концентрационная
диффузия в металле является лимитирующей стадией процесса
коррозии, наблюдается изменение содержания металлических
компонентов сплава в поверхностном слое.
Распределение некоторых компонентов никелевоrо жаропроч
Horo сплава после окисления на воздухе при 1000 ос в течение 200 ч
представлено на рис. 3.7 [50], При окислении никелевых жаро
пр очных сплавов образуеТG:Я окалина с повышенным (по сравнению
со средним составом сплава) содержанием А1, Cr и Ti, поэтомуl
в поверхностном слое металла ПОСJте окисления наблюдается их
ПОl'fиженное содержание. Небольшое увеличение концентрации Cr
вблизи внешней rраницы поверхностноrо слоя металла обусловлено
внутренним ОКислением сплава (формированием подокалины).
Чем выше температура и подолжительность окисления, тем больше
125
fлубина поверхностноrо слоя с измененным химическим составом
(см. рис. 3.7). Толщина TaKoro слоя в жаропрочных сплавах на
основе Ni после окисления при 900 ... 1100 ос в течение 200 ч
составляет 10 ...200 мкм [50].
В общем случае поверхностный слой детали после окисления
представляет собой оксидную пленку (окалину) и поверхностный
слой металла с измененным химическим составом, причем вблизи
окалины металл может быть внутренне окисленным.
Выдержка в вакууме также ведет к изменению химическоrо
состава nOBepxHocTHoro слоя в результате избирательной субли-
мации компонентов сплава. Например, после отжиrа в вакууме
при 950 ос и остаточном давлении 1,3 .10 4 Па коррозионно-стой-
кой стали, содержащей 16 % Cr, 10 % Ni, 2 % Мо, в течение 70 ч
концентрация cr на поверхности со тавила лишь 8 %, а толщина
. слоя с пониженным содержанием Cr около 20 мкм [121]. Наи-
более интенсивно сублимируются элементы, имеющие высокие
упруrости паров.
Изменение фазовоrо состава. Изменение химическоrо состава
поверхностноrо слоя детали вызывает изменение ero фазовоrо
coctaBa. Наиболее типичным примером этоrо процесса является
формирование оксидов металлов. Кроме Toro, к изменению фазо
Boro состава ведет и обеднение поверхностноrо слоя сплава ак-
тивно корродирующими элементами. На рис. 3.8 приведены фраr-
менты дифрактоrрамм nOBepxHocTHoro слоя жаростойкоrо ни-
кель-алюминиевоrо сплава до окисления и после Hero на воз-
духе при 1000 ос в течение
300 ч. До испытания сплав
был однофазным и представлял
собой фазу NiAl с кубической
структурой ( -фаза). После оки-
сления в поверхностном слое
Cr
t '"'..
'"
« ТТ
'"
t 52 50
а} «
;,
t
110
W
6 AL
4-
О 40 h, мкм
50
Рис. 3.7. Распределение Аl, Cr, Мо и W
I! поверхностном слое никелевоrо жар о-
прочноrо сплава после окисления на
воздухе при 1000°С I! течение 290 ч
126
6)
Рис, 3.8. Фраrменты дифрактоrрамм
сплава Ш---Аl до окисления (а) и по-
сле ОКисления (6) при 1000 ос в течение
300 ч (FekQ\-излучение)
наряду с образованием оксида a-А12Оз в результате обеднения
алюминием формируется также фаза Ni3A1 (у' -фаза). Таким об-
разом, в поверхностном слое сплава при окислении протекает
следующее фазовое превращение:
-NiАI + 02 --+ a-А12Оз + y'-NiзА1.
(3.2)
По данным рентrеноспектраЛЬНОl'О микроанализа, средний химис
ческий состав фазы N iAI в поверхностном слое толщиной около
20 мкм изменяется: содержание AI снижается от 25 до 20 %. Это
приводит также к изменению периода решетки фазы NiK1 на
0,0015 нм.
При окислении никелевых жаропрочных сплавов, в результате
обеднения поверхностноrо слоя Al, Cr, Ti происходит распад
упрочняющей \,' -фазы Niз(Al, Cr, Тi) и сплавы в поверхностном
слое представляют собой практически лишь твердый раствор на
основе Ni (у-фаза). Например, поверхностный слой образцов из
сплава ВЖЛ12У после окисления на воздухе при 1000 ос в те-
чение 300 ч состоит из трех различных по' фазовому составу зон:
TOHKoro слоя окалины; зоны внутреннето окисления (подокалины)
толщиной около 30 мкм; слоя, лишенноrо упрочняющей у' -фазы,
толщиной 20 ... 25 мкм. Разупрочнение поверхностноrо слоя этих
сплавов ведет к резкому снижению их прочностных свойств.
Протеканию фазовых превращений способ,ствует и пласти-
ческая деформация поверхностноrо слоя деталей при их эксплу-.
атации. Например, при работе в условиях трения в алюминиевых
и оловянистых бронзах происходит распад а-твердоrо раствора
на основе Си, при этом в зависимости от свойств среды и состава
сплавов образуются два Вида вторичных структур: медная пленка,
расположенная на подложке из а-твердоrо раствора, либо два
твердых раствора а' и а" [91 J. В сталях, содержащих 8...
20,2 % Мп; 1,8 ... 8,2 % Ni при трении протекают мартенситные
превращения 1'---+8 и 8---+0:, что существенно влияет на их износо-
стойкость [122 J. Поверхностные слои контактирующих деталей
при трении на воздухе мотут подверrаться окислению, сопровожда-
ющемуся образованием на поверхности или в приповерхностном
слое оксидов металлов.
В ряде случаев в поверхностном слое детали после финишной
обработки фиксируется метастабильное состояние по отношению
к рабочей температуре. Эксплуатация детали при этом может выз-
вать протекание фазовых превращений. Например, в покрытиях
NiCrAIY на лопатках [ТД, полученных осаждением из паровой
фазы, может быть зафиксировано высокотемпературное состоя-
ние, соответствующее Т > 1000 Ос. Эксплуатация лопаток при
температуре ниже 1000 ос вызывает в соответствии с диаrраммой
состояния фазовое превращение
-NiАl + v-Ni ---+ ,\,'-NiзА1 + a-Cr.
(3.3)
127
Протекание фазовых превращений в твердом состоянии обычно
сопровождается возникновением высоких локальных напряжений
вблизи частиц выделяющихся фаз, что оБУСJювлен:о различием
в удельном объеме этих фаз по сравнению с исходными фазами
и усилением диффузионных процессов [12].
3.4. ОСТАТОЧНЫЕ МАК:РОНАПРЯЖIEНИЯ
Макронапряжения, возникающие при обработке заrо1'ОВOI ,
в процессе эксплуатации деталей изменяю'.li'(:Я. Устойчивость и
аакономерности их изменения зависят от вида наrружения, ее
величины, температуры и продолжитеJIЬНОСТИ работы, а также от
физико-химическоrо состояния поверхностно:rо слоя детали.
Перераспределение и релаксация макронt'ШРЯ}I{ений ПрОИС1ЮДЯ1'
в результате пластической деформации метаJЫIa под действием ос-
таточных макронапряжений и напряжения от внешнеЙ наrрузки.
Таким образом, макронапряжения изменяются, если сумма макро-
напряжений и внешнеrо напряжения превос:ходит напряжение
течения материала *. Поэтому устойчивость макронапряжений
снижается с ростом их величины и значения внешнеrо напряже-
ния, а также с уменьшением напряжения течения. Пластическая
деформация поверхностноrо слоя детали при ее эксплуатации на
величину около 1 % приводит К практически полной реJлаксации
м:акронапряжений. Обычно наблюдается рост макронапряжений
с увеличением степени наклепа поверхностноrо слоя (рис. 3.9).
Степень релаксации макронапряжений, %
Ии == O'o O't 100, (3А)
0'0
rде ао И а( значения макронапряжений (в частности, макси-
малыше) после механической обработки и отжиrа соответственно.
Релаксация макронапряжений: наиболее интенtивно протекает
в первые часы.
Значения предела текучести в структурно стабильных матери-
алах снижаются с ростом температуры, поэтому с повышением pa
бочей температуры устойчивость макронапряжений уменьша-
ется.
у стоичивость макронапряжении резко снижается при эксплу-
атации детаJIИ в условиях ЦИКJшческоrо наrружения. Это обуслов-
лено прежде Bcero тем, что предел текучести при циклическом на-
rружении значительно ниже, чем при статическом. Кроме Toro,
циклические наrрузки MorYT привести к заметному повышению
температуры металла, интенсифицирующей процесс ре.IIaксации
остаточных напряжений.
* Пластическое деформирование микрообластей происходит при :шшряже"
ииях. меньших макроскопическоrо предела текучести.
128
100
' I е
M
0,090
о/е!
. I д.. (з>
,.JO..*+ А-Л УА !;I
О 10 20 30 Ин,%
а)
({тах'НПО
300
200
lJ тa;;o _ X ' it [
1IJ I"Зg
б О Lj\ L'> -
LJ IJJ I"J
о
liJ
40
&
20
о
LJo "е
CfP '-'"..'e ,
20 30 Ин, С10
о)
о
10
NeтoiJbI U режuмы Теl"iПература
насре(}а, О{
оораоотlfи 700 850 925 1000
!JJflUrpOIJOHUE (5п о,05ММ/iJ8,Х.) О D 6 },
Ra l, 25 МКI1
-
'PpE3Epo(}aнue(5z о,051111/зtj!j li.iiiI liA х
((a 5 МКМ
-
Оокоты(}оние pO/lUKOM () IJI А *
p 1000 Н
Оо/тты(}оние pO/lUKOM () 1[] J::o. *
p 2500 Н
Оокоты(}ониР -
pO/lUKON е J"II1 6- +
P 5000 н
Рис. 3.9. Изменение максимальных микронапряжений amax (а) и степени их ре-
лаксации иаrnах (6) в зависимости от степени наклепа в образцах из сплава
ХН70ВМТЮФ после шлифования, фрезерования и обкатывания роликом с уче-
том влияния температуры отжиrа
Релаксация макронапряжений зависит и от продолжительно-
сти наrружения. Основная их часть снимается в начальный период
времени. Если циклическая наrрузка невелика и сумма макрона-
пряжений и максимальной величины циклическоrо напряжения
не превосходит «циклический» предел текучести, релаксация от-
сутствует. При высокой наrрузке наблюдается быстрая реJ!аксация
остаточных Iакронапряжений,
При циклическом наrружении происходит релаксация макро-
напряжений в стали 35, созданных обкатыванием роликом. Зна-
чительная релаксация макронапряжений наблюдается при амп-
литуде цикла O,9a ] [103].
Исследование влияния изотермических Hal'peBoB в воздушноЙ
среде и в вакууме на макронапряжения в образцах из жаропроч-
ных сплавов ХН70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ, ХН55ВМТКЮ, тита".
новых сплавов ВТ3-1, ВТ9, стали J3Х12Н2В2МФ позволило изу-
чить кинетику релаксаций макронапряжений после различных
видов механической обработки, Макронапряжения измеряли ме.
ханическим методом на приборе ПИОН-2 с непрерывным стравли
ванием 110BepxHocTHoro слоя. '
Эпюры макронапряжений в СПJIаве XH70BТlO в зависимости
от температуры и продолжительности HarpeBa в вакууме (при раз.
режении 1,33.10 2 Па) приведены на рис, 3.10. HarpeB сплавов
Х:Н70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ, ХН55ВМТКЮ ДО температуры ниже
5 Сулям:s А. Мо \ JIII;I. 129
100
о
JOO
100
о
8)
100
h,11I\11
200
о)
Рис. 3.10. Изменение остаточных макронапряжений I! образцах, из сплава
ХН70ВМТЮ после обработки:
<1l фрезерован>!я (S. 0,05 ым/зуб), Ra 1) мкм; б шлифования (Sп
0.05 Ы"/Д5. ход. (Ra 1.25 мим; 8 шлифования (Sп 0,01 мм/дв. ход). Ra
0,32 мк" в Э8ВИСilМОСТlI от температуры iI продолжительности 01'жнrа:
1 20 ас; 2 800 ос, 2 '1; а 800 "С. 25 ч; " 800 ос, 100 '1; б 875 .С, 2 ч; б -
815 .С, 25 '11; 1 950 .С. 2 '1
700 1500C практически не оказывает влияния на макронапря
жения, а при температурах 950 975 ос они практически полно
стью снимаются за 2 ч (см. рис. 3.10 и рис, 3.11). Абсолютно ПОJшая
релаксация обычно не достиrается: сохраняется небольшой разб-
рос значения о' на уровне (О 'н 5) .107 Па. Возможная причина
этоrо небольшое окисление поверхностноrо слоя образцов при
HarpeBe.
Отметим, что устойчивость макронапряжений ниже 700 ос
обусловлена устойчивостью значения предела текучести сплавов
ниже этой температуры. Например, повышение температуры от
комнатной до 700 ос снижает условный предел текучести 0'0,2 сплава
ХН70ВМТЮ Bcero на 7 %, а увеличение температуры ДО 900 ос
практически на 50 %.
Gтax, НПа
600
о
700 800
900 t, ос
130
Рис. 3.11. Изменение максимаЛЬНЫJIi значений
макронапряжений в зависимости от температуры
отжиrа для образцов из сплава ХН70ВМТЮ по-
сле шлифования и фрезерования:
шлифование (Sп 0,05 мм/дв. КОД), Ra 1.25 ИКIIII
(х); шлифование (Sп 0,01 мм/дв. ход). Ra
0,32 МКМ ('17); фрезероваиие (Sz 0,05 мм/зуб).
Ra 5 МКМ (о)
6тах, I1Па И6тах,%
8750С х
800
х
7000 С
800 700
875 х х
О 25 50 75 100 'Т' О 50 75 1О0т, ч
а) r5 )
Рис. 3.12. Изменение максимальных значений макронапряжений (а) и степени
их релаксации (6) в зависимости от продолжительности отжиrа для образцов из
сплава ХН70ВМТЮ после шлифования (обозначения см. на рис. 3.11)
Зави имости максимальных макронапряжений О'mах И степени
их релаксации иО'mах от продолжительности вакуумных отжиrов
при 700... 875 ос приведены на рис. 3.12.
Кривые, аналоrичные кривым, приведенным на рис. 3.12,
были построены для образцов из титановых сплавов и стали
13Х12Н2В2МФ, подверrнутых rидроrалтовке или виброабразив
ной обработке [95]. Заметная релаксация макронапряжений в этих
материалах наблюдается при 400 ос и выше, а при 650 ос проис-
ходит практически их полное снятие за 0,5 ч.
В результате исследований также установлено, что при на-
rpeBe жаропрочных никелевых и титановых сплавов существует
связь между релаксацией макр.онапряжений и снижением сте-
пени деформационноrо упрочнения (степени наклепа). В качестве
примера на рис. 3.9 приведены зависимости О'mах И иО'тах от ИН
для сплава ХН70ВМТЮ. Снижение степени деформационноrо
упрочнения поверхностноrо слоя при HarpeBe сопровождается
релаксацией макронапряжений. Это указывает на важную роль
структурных изменений при HarpeBe деформированных металлов
в процессе релаксации макронапряжений.
3.5. ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАi(ЦИЙ
В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
Термодинамический анализ исследуемой системы fазовая
(жидкая) фаза поверхностный слой сплав обычно проводится
в три стадии: определение paBHoBecHoro состава rазовой (жидкой)
фазы, контактирующей с поверхностным слоем материала; расчет
paBHoBecHoro состава сплава; оценка возможностей протекания
поверхностных реакций на rранице раздела фаз.
Определение paBHOBeCHoro состава rазовой (жидкой) фазы,
контаКТИРУЮЩей с материалом. Расчет paBHoBecHoro состава rазо-
:ВОЙ фазы необходимо ПрОБОДИТЬ для выявления механизмов взаи-
5Q 131
модействия элементов аrрессивной среды с компонентами матери
ала детали при эксплуатации, а также для опредедения оптималь
ных условий роста кристалла на стадии подучения сплава или
защитноrо покрытия. Такой расчет можно провести с использова-
нием двух методик. Первая методика обычно применяется при
анализе достаточно простых систем, содержащих оrраниченное
ЧИСJIO компонентов и фаз. Она основана на построении линейно
независимой системы уравнений реакций, протекающих в объеме,
использовании условия химическоrо равновесия (2.60), дополни-
тельных балансных соотношений и уравнения закона Дальтона.
Полученную нелинейную систему уравнений решают численно
на ЭВМ, а результаты расчетов представляют в виде rрафиков
зависимости состава от температуры.
Вторая методика основана на определении состава смеси, обес
печивающеrо минимум свободной энерrии rиббса (или rельм-
rольца), и не требует построения независимой системы химических
реакций. В любом случае необходимо определить величину АО
(или АР), а значит вычислить химические потенциалы и связать
их с концентрациями веществ,
Рассмотрим смесь идеальных rазов, для каждоrо компонента
которой известно значение ДFiо (индекс О относится к 1 молю).
т
Тоrда для смеси получим др == п! АР [о. Так как химический
l 1
потенциал определяется уравнением ""! == (a!1P/aпi)r, и, nj. то
для идеальноrо rаза будет справедливо соотношение
( д iО )т == P == iJ' . (3.5)
Интеrрируя (3.5), получим следующее уравнение:
""! == !-tiО (Т) + RT 1п Pi,
(3.6)
При расчетах чаще Bcero приходится иметь дело с идеальными
и реальными растворами. В первом случае необходимо исполь
зовать уравнение закона Рауля, связывающее парциальное дaB
ление компонента над раствором Р! с давлением насыщенноrо пара
pio:
Р( == N (рl0,
(3.7)
rде N1 МО,/Iьная доля.
Тоrда химический потенццал идеальноrо раствора
",, п) == ""Оl + RT 1n Р;о + RT ln N (.
(3,.8)
Рассматривая реальные растворы, вместо мольной доли вводят
активность компонента, сохраняя общий вид уравнения (3.6):
",,1Р) == !-tiО + RT ln Р;о + RT 1п щ. (3.9)
132
Подставляя в условие химическоrо равновесия (2.55) выражения
(3.6) (3.9), получим уравнения, определяющие константы paBHO
весия К:
Vil-tiО == RT "! 11;1 PiO;
".
Кр == ПРiJ;
(3.1 О)
(3.11 )
(3.12)
'-,
".
KN == ПNiб;
".
Ка == Паiб.
Аналоrично (3.5) ожно вычислить изменение свободной энер-
fИИ rиббса (уравнение закона действующих масс):
", ( "! _ )
f..G == .i..J Vil-ti RT 1n ПРi 11lКр ,
(3.13)
rде
f..GO == RT 1n Кр. (3.14)
Выражение (3.13) позволяет сделать заключение о возможности
протекания химической реакции. Если в системе присутствуют
ис,х:одные вещества и продукты реакции, то 1.;Vil-ti == О И f..O== О
(химическое равновесие). Коrда предполаfаемые продукты peaK
ции (их стехиометрические коэффициенты считаются положи
тельными) отсутствуют в системе, получим 1.;Vil-ti >- О, так как
меньше нуля и стехиометрические коэффициенты и химические
потенциалы (реакция невозможна при f..G> О). Наоборот, если
отсутствуют исходные вещества, 'то f..G < О (реакция возможна).
О возможности протекания предполаrаемой реакции иноrда судят
по знаку f..GO, что является rрубой ошибкой, поскольку b.GO
рассчитывается для равновесных условий. Знак же при f..GO позво-
ляет сделать заключение лишь о том, в какую сторону смещено
равновесие (в сторону ли исходных веществ f..OO > О или в сто-
рону продуктов реакции f..GO < О). Еще более rрубую ошибку
совершают, коrда по величинам f..G (или даже f..(0), определенным
Д.7IЯ каждой реакции системы, выбирают наиболее вероятную.
Такой выбор можно сделать толь'ко на основании кинетических
исследований или для равновесных условий с помощью расчета
состава rазовой (жидкой) фазы.
Сущность одной из методик определения paBHoBecHoro состава
rазовой фазы рассмотрим на примере сплава (Zr + 1 % Nb),
находящеrося в атмосфере паров йода при 500 ... 1200 ос. Такая
ситуация может быть реализована при эксплуатации сплава
в ядерном реакторе, rде в число продуктов деления урана входит
йод. Независимая система химических реакций может быть з(апи
сана через совокупность реакций образования соединений из про-
стых веществ:
[MeiJ + п (1) +:!:: (MeiIn),
Ме == Zr, Nb
(3.15)
и реакций сублимации йодидов:
[Met1nJ +:!:: (Met1n).
(3.16)
133
Каждой реакции (3.15) и (3.16) можно поставить в соответствие
уравнение закона действующих масс, записанноrо для равновес-
ных условий (3.14). Полученная таким образом нелинейная си-
стема уравнений имеет следующий вид:
ln РОм .[ == п 1n рУ + f..S/R f..H щТ + 1n аМе.' }
ez: n z'
1nPM* "1 == f..S*/R + f..H*/RT + 1n аМе!
ez n ,
(3.17)
rде а! активности Zr и Nb; р; давления насыщенных паров
йодидов; f..H и f..S изменения энтальпии и энтропии реакций
(3.15); f..H* и f..S * изменения энтальпии и энтропии реакций
сублимации (3.16).
Решение системы (3.17) реализуется на ЭВМ итерационными
методами. Полученные значения парциальных давлений р2 не-
обходимо сравнить с величинами давлений насыщенных паров
соответствующих ЙОДИДQВ р;. Если р! < p , то это означает, что
образовавшийся йодид 'выпадает в твердую фазу и ero давление
Р, == р;. Тоrда в систему (3,17) вместо уравнения закона дейст-
вующих масс для даННОfО Йодида необходимо подставить урав-
нение сублимации и снова решить уже видоизмененную систему
(3,17). Все эти процедуры осуществляются на ЭВМ. Результаты
расчетов для системы Zr Nb I приведены на рис. 3.13, из ко-
Toporo следует, что основными компонентами в rазовой фазе при
400 ... 1500 ОС должны быть йодиды циркония. В этом случае
поверхностный слой сплава будет обоrащаться ниобием до тех
пор, пока не установится динамическое равновесие [47 J. Химиче- \
ская обработка в значительной степени изменяет элементный
состав поверхностных слоев материалов (см. рис. 3.13).
В работах r. Ф. Воронина и r. Крепелина аналоrично анали-
зировались процессы rорения сложных топлив и режимы работы
ракетных двиrателей, турбин и компрессоров. Мисра, Уайтл
и Уоррел [123 J провели термодинамический анализ процесса
жидкостной низкотемпературной (700... 850 ОС) коррозии в си-
стеме Na2S04 жаропрочный сплав (Ni, Cr, Fe). В результате
расчетов, выполненных для различных давлений SОз (OcHoBHoro
«аrрессивноrО>J компонента при работе fазовых турбин в морских
Lп Р, Па районах), была выяв-
лена низкая стойкость
сплавов, содержащих
Al, к воздействию соле-
вой коррозии.
Таким образом, ана-
лиз расчетных данных
25
, БОО
1100
1350
850
134
Рис. 3.13. Равновесный со-
став rазовой фазы в системе
Zr 1 % Nb:
1 .. Zrl.; 2 ZrIQ; 8 NbI.;
4 1 ;6 I
о равновесном составе rазовой (жидкой) фазы, находящейся в KOH
такте с поверхностным слоем \ материала, позволяет получить
информацию, характеризующую: 1) концентрации веществ в ре-
акционном приповерхностном пространстве; 2) основные химиче-
ские реакции, протекающие в системе; 3) процессы адсорбции и
десорбции [2]; 4) скорости рЬста осадков на поверхности кри-
сталла в квазиравновесном приближении [47); 5) коррозионную
стойкость и жаростойкость материала [123 J.
Для Toro чтобы уточнить и значительно расширить получае-
мую информацию, необходимо определить состав поверхностных
слоев материала и выявить основные химические реакции, ,проте-
кающие непосредственно в объеме сплава.
Определение paBHOBeCHoro состава материалов. Сущность мето-
дики термодинамическоrо анализа объемных слоев материалов за-
ключается в следующем: 1) подбор априорной инфОРl\1ации об
исследуемом сплаве, с помощью KOToporo выявляются все струк-
турные составляющие системы, их термодинамические функции
(энтальпия и энтропия образования, теплоемкость) и раствори-
мости компонентов в различных фазах; 2) определение парциаль-
ной мольной энерrии rиббса для каждой фазы:
о!о:) == о? (а) + RT ln xjtx) + б(tx) RT ln Рт.,
(3.18)
причем уравнение (3.18) справедливо только для идеальных
растворов, [де х, мольная доля i-й составляющей в фазе;
Рх. суммарное давление; б(CZ) == { :
если а; rаз;
во всех друrих случ ях;
3) решение задачи поиска условноrо минимума энерrии rиббса:
т rI
'\-' '\' (а)а(а) ( Т (0:) (а;» .
.t..J .t..J пi i р, , Хl "", Xk == тlП,
o: l ' l
(3.19)
при следующих rраничных условиях: а) Т(а;) == То (термическое
равновесие); б) Рт. == P (механическое равновесие); в) ypaB
нениематериальноrо баланса
'{"1 (а;) ·
J:..J 'Vij == тj.o .
a. i
(3.20)
[де п(О:) число молей фазы а; в смеси; n tx) == n(a;)x a;); T
число молей j-ro независимоrо компонента в одном моле t-и со-
ставляющей фазы а;; 4) определение paBHoBecHoro состава иссле-
дуемоrо сплава и составов фазовых составляющих путем решения
системы (30 18) (3.20); 5) учет кинетики процессов с помощью
полуколичественноrо peHTreHocTpYKTypHoro анализа и исходя из
данных о растворимости компонентов в различных фазах (на
135
основании данных peHTreHocTpYKTypHoro анализа получают ИН"
формацию об основных фазах и их массовых долях).
В качестве практическоrо использования описанной выше ме-
тодики приведем результаты термодинамическоrо анализа тита-
HOBoro сплава ВТ33. При анализе сплава ВТ33 термодинамические
расчеты усложняются, так как в данном случае при термообра-
ботке сплава происходит перераспределение компонентов между
(Х- и -фазами. PeHTreHocTpYKTypHoe исследование сплава втзз
после термообработки показало, что объемные доли (Х- и -фаз
относятся как 9: 1. Тоrда, учитывая растворимости элементов
в (Х- и - фазах и рассматривая все известные структурные состпя-
ляющие [60] (Bcero 64 индивидуальных вещества), можно рас,,,
считать соrласно описанной выше методике фазовый состав СПJ13В3
ВТ33.
Фазовый состав сплава В тзз после термообработки (по ре-
зультатам термодинамических расчетов) следующий:
Фаза .. " " " . "
Массовая ДОЛЯ, %
а-фаза
84,2
-фаза
13,7
FeТi ZrN
0,4 0,8
TiC
0,5
Аiрз
0,4
По результатам расчетов а-фаза содержит 90,1 % Тi, а также
Sn, Zr, Al, Мо. Основные компоненты -фазы Ti (62 %) и Мо
(32,2 %), Ошибка вычислений в основном определяется адекват-
ностью использованной модели идеальных твердых растворов.
Если уравнение закона Рауля применимо к изучаемой системе,
то величина ошибки задается точностью определения термодина-
мических функций и достиrает ,...,..20 % .
Поверхностные реакции на rранице раздела фаз. Особенностью
протекающих на поверхности сплавов химических реакций яв-
ляется тот факт, что последние всеrда приводят к образованию
новых фаз. В этой связи наибольший интерес представляют ре.
акции, в которые вступают компоненты rазовой (жидкой) фазы и
структурные составляющие поверхностноrо слоя материала, а та-
кже твердофазные реакции, протекающие между внедренными
в поверхностный слой элементами и компонентами сплава. И
в первом и во втором случаях необходимо учитывать различие
в составах поверхностных и объемных слоев материала. Поэтому
в уравнениях закона действующих масс (3.13) должны фиrуриро-
вать не объемные, а поверхностные концентрации веществ. По-
следние MorYT быть определены экспериментально методами ЭОС,
РСХА, ВИМС, МРА и т. д. Вычисления проводятся с учетом pe
зу.льт-атов расчета paBHoBecHoro состава rазовой фазы, контакти-
рующей с материалом, по методике, описанной в разд. 3.5. Полу-
чаемая информация представляет собой rрафики зависимости из-
менения свободной энерrии rиббса от температуры, cYMMapHoro
давления и парциальных давлений основных компонентов arpec-
сивной rазовой среды, или так называемые диаrрамм.ы стабиль-
ности [119]0
136
Вероятность протекания
твердофазных химических ре..
акций между имплантирован-
ными в поверхностный слой
элементами и структурными
состаВШIЮЩИМИ высоколеI'И-
рованной хромистоЙ стали
оценивалась с помощью тер-
модинамическоrо анализа.
Расчет прои:зводили для температуры 600 ос (температура диффузи
oHHoro отжиrа) с учетом результатов исследования элементноrо
состава поверхностных слоев стали после ионной имплантации.
Исходя из определенных методом ЭОС концентраций элементов,
были построены диаrраммЫ стабильности, характеризующие ве-
роятность протекания химических реакций в поверхностном слое.
Например, при леrировании ионами В+ необходимо рассмотреть
все возможные взаимодействия В с компонентами а"фазы и с
ДРУI'ими фазовыми составляюЩимИ стали. Термодинамические pac
четы показали, что облучение стали ионами В+ с большими до-
зами (D > 1021 ион/м2) должно приводить при диффузионном 01'-
жиrе к появлению новых фазовых составляющих [CrB], [УС],
[WC], [СоС 1 и к изменению состава а"фазы, Возможно также об..
разование фазы [Ре2В J, причем освобождающийся Мо вступает
в реакцию с [Ре], обедняя а"фазу. Таким образом, облучение
стали ионами В+ с большими дозами нежелательно, так как воз
можно охрупчивание поверхностных слоев материала, вызванное
выделением значительных количеств боридной фазы до 10 %
[CrB] (рис, 3.14). Аналоrичные расчеты были выполнены для мно"
I'ИХ элементов таблицы Менделеева. Результаты термодинамиче..
CKoro анализа показали, что наиболее перспективным представля
ется леrирование стали следующими элементами: Рс1. La, Н!
Та и V (причем дозы облучения MorYT быть предельно допусти-
мыми), а также В, N, С (при небольших дозах облучения
<1021 ион/м2), Первая rруппа элементов должна улучшить кор-
розионные свойства стали, вторая усталостные и прочностные
свойства.
В заключение необходимо отметить, что к полученным резуль-
татам следует относиться критически, поскольку при анализе не
учитываются скорости протекания реакций, так как неизвестны
ни константы скоростей, ни порядки химических реакций; не
рассматриваются диффузионные процессы в связи с отсутствием
информации о коэффициенте диффузии в мноrокомпонентных си
Рис. 3.14. Зависимость aTOMHЫ
концентраций элементов от времени
травления 1:sp (сталь после имплан-
тации В+ cD 1022 ион/м2 при Е
40 кэВ) и диффузионноrо отжиrа
при 600 ос в течение 1 ч
Х,%
80
,...... Fe
,/"" (е
(е
50 с
\
\
с
40
(е
/
/Fe... (е
(е'"
(е
Ct''''''''Cr....Cr
B B....... ' Cl.
B Cr ,-ct'
с.....с С 8
D O-:"'D c cD !D!!..
60 /20 180 'С'р ,11ИН
131
стемах; используются термодинамические функции веществ
D.Н 9Я' S 9Я' ДCp 98' точность определения которых не превышает
3 5 %; не вводятся поправки на изменения термодинамических
потенциалов, обусловленные поверхностными эффектами [83 J.
В то же время, как показывают мноrочисленные примеры, pe
зультаты термодинамическоrо анализа, подкрепленные экспери-
ментальными данными, дают возможность значительно сократить
время и область поиска оптимальных режимов процессов получе-
ния и обработки материалов, а также оценить их эксплуатацион-
ные свойства.
r ЛАВА 4
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРхностноrо слоя
НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
4... ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ
И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАfРУЖЕНИИ
Поверхностный слой деталей оказывает влияние на следующие
эксплуатационные свойства: прочность (статическую, цикличе-
скую, ударную), трение и износ, сопротивление коррозии, эро-
зии, кавитации, rерметичность соединений, точность деталей и
надежность неподвижных посадок и др. Шероховатость и волнис-
тость поверхности, структура, фазовый и химический состав
поверхностноrо слоя по-разному влияют на эксплуатационные
свойства деталей. Знание закономерностей комплексноrо и раз-
дельноrо влияния параметров поверхностноrо слоя детали на
их эксплуатационные свойства позволяет оптимизировать техно-
лоrические процессы изrотовления деталей с учетом заданных
условий их эксплуатации.
UUepOXOBaTOCTb поверхности. Влияние шероховатости поверх-
ности на сопротивление усталости металла, наиболее изучено
по сравнению с друrими параметрами поверхностноrо слоя.
Влияние шероховатости поверхности на сопротивление уста-
лости обычно оценивается различныIии коэффициентами концент-
рации напряжений, связанными с r рметрическими параметрами
микронеровностей поверхности. Теоретическая зависимость ме-
жду коэффициентом концентрации напряжений (Ха И rеометриче-
скими параметрами мелких рисок, MHoroKpaTHo повторяющихся
на поверхности детали, была установлена r. Нейбером. \fеорети-
ческий коэффициент концентрации напряжений '
при кручении и СДвиrе
аа == 1 + {у Z ;
при растяжении и изrибе
(4.1)
f
аа == 1 + 2 V У ,
(4.2)
rде у коэффициент разrрузки, зависящий ют отношения шаrа
неровностей к их высоте (рис. 4.1); Rz высота микронеровностей;
r радиус кривизны на дне впадины.
Соотношения (4.1) и (4.2) можно использовать и для определе-
ниякоэффициентов концентрации напряжений, обусловленных
139
микронеровностями на поверхности дета-
лей после механической обработки.
Для микрорельефа поверхности после
механической обработки обычно у == 1,
R z/ r == 0,3 ... 0,5, что соответств ует тео-
ретическому коэффициенту концентрации
S/RZ (Ха == 1,5 ... 2,5.
Коэффициент концентрации напряже-
ний шлифованной поверхности с пара-
метром шероховатости Ra == 0,32; 0,63;
1,25 мкм равен соответственно 1,2; 1,24
и 1,48.
Используя коэффициент чувствительности металла к концент-
рации напряжений ga, можно приближенно оценить эффективные
коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные микро-
неровностями на поверхности детали.
Для уrлеродистых сталей с малыми радиусами закруrлениЙ по
дну микронеровностей можно принять ga == 0,1 .,. 0,2. Для леrи-
рованных сталей их значения будут больше. Эффективные коэф-
фициенты концентрации для леrированных сталей, вычисленные
по формуле
Ka==l+ga(CGa I), (4.3)
равны 1,05 ... 1,3. Причем предел выносливости rладких образ-
цов 0' 1 связан с пределом выносливости образцов с концентрато-
ром (j lK соотношением
J
0,8
о
4
8
Рис. 4,1. Зависимость ко-
эффициента разrрузки '1'
от отношения 3/ Rz
а_l
a lK == Ка .
(4.4)
Значения Ка, для леrированных сталей будут более высокими
по сравнению со значением для уrлеродистых сталей вследствие
их большой чувствительности к концентрации напряжений.
Эксплуатационные свойства деталей зависят не только от вы-
соты микронеровностей, но и от радиусов закруrления впадин и
выступов, уrла наклона профиля и шаrа неровностей.
При значении параметра шероховатости поверхности Ra 5,0;
А ,2; 0,3 и 0,15 мкм (направление неровностей перпендикулярное)
сопротивление усталости теплостойких сталей, титановых и
жаропрочных сплавов (температура HarpeBa 800 900 ОС, рабочая
частота наrружения 1 5 кrц, база испытаний 100 млн. циклов) сни-
жается соответственно на 24 20; 18 16,5; 14 12,5; 10 12 %
по сравнению с сопротивлением усталости этих материалов при
практически полном отсутствии неровностей на поверхности Ra
0,01 мкм и физико-химичеСIШХ изменений в металле поверх-
HocTHoro слоя (рис. 4.2).
Сопротивление усталости конструкционных материалов с на-
правлением микронеровнастей, перпендикулярном к оси образца,
снижается примерно в 1,5 раза больше, чем при направлении
140
Рис. 4,2, Изменение сопротивления уста- U I' МПа
лости в зависимости от шероховатости по-
верхности сплавов ХН70ВJ\1ТЮ (1) и
ХН56ВМКЮ (2):
продольное шлифование крутом (\7) и лентой
с",); поперечное шлифование крутом (О) и лен-
1'01\ (О); УСЛОВИЯ испытания; 800.С. частота
натружения 1 к[ц (1); 900 ОС, частота натру-
жения 5 кrц (2) 280
микронеровностей вдоль оси об-
разца, для одинаковых значений
apaMeTpOB шероховатости. С сни- 240
жением шероховатости поверх- '",-
насти направление микронеров-
ностей меньше влияет на сопро-
тивление устаJIOСТИ. 200
Снижение сопротивления уста- 001 01 1 R
лости обычных конструкционных ' , а,!1КМ
сталей (при частоте наrружения до 100 rц и температуре 20 ОС)
при изменении шероховатости поверхности Ra с 2,5 до 0,16 мкм,
обусловленноrо механической обработкой, составляет примерно
от 25 до 100 %.
Физико химическое состояние поверхностноrо слоя. Пласти-
ческое деформирование поверхностноrо слоя вызывает увеличение
дефектов в кристаллической решетке, повышение внутренней
энерrии и снижение пластичности металла, т. е. приводит к Д е-
фор м а Ц и о н н о м у у про ч н е н и ю. Влияние этих де-
формационных изменений в поверхностном слое на ero прочност-
ные свойства зависит от степени деформации поверхностноrо слоя
и условий эксплуатации (среды, температуры HarpeBa, наrрузки)
и ПРОДОJIжительности их воздействия (рис. 4.3).
Экспериментально установлено, что для каждоrо металла или
сплава и заданных условий эксплуатации существует определен-
б,оо, НПа
6." /'1Па
500
дОО
400
J
4
700
4 д б','Уо О 2 4 6 6",%
а) о)
о
Рис'. 4.3. Изменение длительной прочности (а) и предела выносливости (6) на базе
108 циклов сплава ХН70ВМТЮ в зависимости от степени предварительной де-
формации и температуры HarpeBa:
1 500 ос; 2 600 ОС; а .. 700 'С; " 800 'С; 6 900 'с
J41
ная степень предварительной
деформации, обеспечивающая
наибольшую прочность.
Анализ зависимостей уста..
лостной и длительной прочно
сти образцов из жаропрочных
сталей и сплавов от степени
предварительной деформации
(наклепа) и температуры ис-
пытания позволяет. сделать
следующий вывод. Для деталей из таких материалов, ра-
ботающих при повышенных температурах, оптимальным является
поверхностный слой, подверrнутЫЙ малому деформационному
упрочнению, соответствующему остаточной деформации Еост ==
== 1 ...4 %, степени и rлубине наклепа иl == 3... 10 %, hи ==
== 10 ... 20 мкм, или слой без наклепа.
Можно предположить, что рост прочностных свойств при He
больших степенях деформации Воет обусловлен снижением не-
однородности распределения дефектов решетки по объему, проте-
канием процесса полиrонизации, формированием блаrоприятной
субструктуры. В то же время с ростом Воет пластичность металла
снижается, повышается ero чувствительность к переrрузкам,
уменьшается трещиностойкость.
Деформационное упрочнение по:верхностноrо слоя после обра-
ботки резанием металлическим или абразивным инструментом
снижает сопротивление усталости жаропрочных сплавов при ра-
бочих температурах, так как при этом деформация металла по
BepXHocTHoro слоя заведомо больше оптимальной. С увеличением
rлубины, степени наклепа и базы испытания влияние поверхно
CTHoro наклепа на сопротивление усталости возрастает (рис. 4.4).
Так, для сплавов ХН70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ и ХН55ВМТФКЮ
с изменением rлубины наклепа 15 'н 160 мкм после шлифования,
фрезерования и обкатывания роликом сопротивление усталости
на базе 10 млн. циклов снижается в среднем на 3 ... 7 %, а на
базе 100 млн. на 5 ... 17 %.
Наблюдаемое усиление влияния поверхностноrо наклепа на
сопротивление усталости с увеличением базы испытания, т. е.
продолжительности термомеханическоrо воздействия на дефор
мированный поверхностныЙ слой, связано с развитием диффузи--
онных процессов, вызывающих раз упрочнение деформированноrо
rюверхностноrо слоя.
,6 1' МПа
400
350
300
250
N= 108цимо8
jj
200
10
20 40 60 80100 200
0,'7,0 ,,)(Н70ВМТЮ;
IJ, V,C) .. )(Н70ВМТЮ<f>;
01, "',С) .. )(Н55ВМТФКЮ
hH,MK
IAl2
Рис. 4.4. Изменение предела выносли-
вости в зависимости от rлубинЬ! накле-
па после фрезерования (О), шлифова-
ния (\7) и обкатывания роликом (о):
Условия испытаний: температура 800 ос
(ХН70ВМТЮ и ХН70ВМТЮФ) и 900 ос
(ХН55ВМТФКЮ), частота наrружеИ>lЯ
5 кrц
Для повышения прочностных свойств силовых деталеи энерrе-
тических машин, поверхность которых обрабатывалась лезвий
ным или абразивным инструментом, целесообразно удалять наи"
более деформированные наружные слои металла электрохимиче-
ской обработкой или устранять наклеп термообработкой.
Следует указать, что в ряде случаев обработка деталей, ра-
ботающих при низких температурах, методами ППД приводит
к росту их сопротивления усталости. После ППД наряду с увели-
чением суммарной плотности дислокаций PD повышается равно-
мерность их распределения по объему зерен, формируется фраr-
ментарная субструктура [9, 61 J. Рост PD И наличие субrраниц
увеличивают сопротивление пластической деформации. В то же _
время равномерное распределение дислокаций по объему заТРУk
няет процесс образования микротрещин, способствует сохр'анению
достаточно высокой пластичности. Эффективность использования
ППД дЛЯ повышения прочностных свойств металла зависит от
el'o структурно-фазовоrо состояния до обработки [9, 89 J.
Деформационное упрочнение Iюверхностноrо СJЮЯ металлов
приводи1' к росту предела текучести 0'0,2 [4, 76, 102 J. Авторы
этих работ считают также, что появление на кривой напряжение
деформация физическоrо предела, зуба и площадки текучести
может быть обусловлено формированием в образцах более проч-
Horo (по сравнению с объемом) поверхностноrо слоя.
Фаз о вый и х и м и ч е с к и й с о с т а в ы п о в е р х.
н о с т н о r о с л о я оказывают значительное влияние на проч-
ностные свойства деталей. Например, образование в поверхност-
ном слое уrлеродистых сталей при лазерной обработке высоко-
дисперсноrо мартенсита, характеризующеrося большим сопро-
тивлением пластической деформации, приводит к резкому уве-
личению сопротивлению усталости при 20 ос [115 J. При обработке
резанием стальных заrотовок в ряде случаев на их поверхности
образуется плохо травящийся белый слой, представляющий собой
смесь дисперсных зерен мартенсита и остаточноrо аустенита.
Наличие этоrо слоя, имеющеrо обычно толщину порядка 101 мкм,
В образцах из уrлеродистых сталей приводит к росту сопротивле-
ния малоцикловой и мноrоцикловой усталости при испытаниях на
воздухе и в активной коррозионной среде 17, 83 J.
Изменение фазовоrо состава может быть вызвано изменением
химическоrо состава. Влияние различных покрытий, представ,ля-
ющих собой поверхностный слоЙ, отличающихся химическим соста-
вом и структур но-фазовым состоянием от металла :в объеме, на
механические свойства деталей будет рассмотрено в rл. 5. Эле-
ментный соатав поверхностноrо слоя изменяется также при окис-
лении или в результате избирательной сублимации компонентов
сплава.
Исследовано влияние окисления на длительную прочность
ряда жаропрочных никелевых сплавов [50]. После высокотем-
пера-rурноrо окисления в воздушной среде в сплавах формироваJIСЯ
143
поверхностный елой (обеднен-
ныЙ Аl и Cr) толщиной до
10 мкм. На ряде образцав оки-
сленный слай удаJIЯЛИ леrким
шлифованием. Устанавлено, чтО,
удаление этоrо слоя приводит
к росту длительной прочнасти
и. пластичности при средних
температурах (550 ,700 ОС).
Проведеннае исследование, а
также анализ литературных
данных пазвалили сделать вывад о там, что снижение длительной
прочности окис,пенных образцов обусловлена изменениями хи-
мическаrа и фазаваrо составав паверхнастнаrо слая (обеднением
Аl и Cr, растворением упрачняющей у' -фазы, праникновением
в сплав кислорода и образованием оксидов), что, приводит К ero
разупрочнению и снижению прочности абразцов [50 J.
С т р у к т ура. Чтобы выяснить влияние мелкозернистоrо
поверхносtноrа слоя на сапротивление усталости сплава /КСБУ,
абычна имеющеrо крупнозернистую структуру, были проведены
испытания (при 975 ос в ваздушнай среде) образцов, вьшлаВJjенных
испаJIьзованием мадификатаров в аблицовачнам С.пае оболочковай
фар мы и без модификаторов. Мадифицированный мелкозернистый
слай имел талщину приблизительна 0,5 мм, линейный размер
зерен в эта м слае N 1 O l мм. Средний размер зерен в абразцах без
мадифицираванноrо поверхностноrо слая, а также в объеме об.
разцов с таким слоем был равен нескольким миллиметрам. Резуль-
таты испытаний приведены на рис. 4.5. У образцов с мелказернис-
тым паверхнастным слоем сапротивление усталасти выше. Мажно
предположить, чтО, причинай этаrо является увеличение длины и
искривленнасти пути, па катарому распространяется усталастная
трещина, в образцах с мадифицираванным поверхностным слоем.
Краме Tora, результаты испытания абразцов без модифицирован-
Hara слоя характеризуются бальшим разбрасом. Это, вероятно,
абуславлена зависимостью сопротивления усталасти 0,1' J1:ристал.1Ю-
rрафической ориентации зерен, их размера' и распаложения rpa-
ниц (атносительно направления действия внешнеЙ наrрузки) в за не
поломки абразцов. '
О с т а т о ч н ы е ,м а к р а н а п р я ж е н и я. Если дефор-
мация материала является упруrой, то наПРЯжение в любой el'o
точке есть суперпозиция остаточных макранапряжений 0'0 с '1' И
6.,.I'1Па
400
З20
280
240
200
105
107
/08 N,цш((/
106
144
Рис. 4.5. Резу-льтаты испытания на уе-
талость образцов из сплава ЖС6У с мо-
дифицированным поверхностным сло-
ем (.с,,) и. крупнозернистой структурой
(О) (условия испытания: температура
975 ос, воздушная среда, частота на-
rружения 3 кrц)
о....
внешнеrо (рабочеrо) напряже}ш { О1р' ПОЭТОМУ необходимо H
беrать появления в детали аост тш'о же знака, что и IJp' Одн:ан:о,
если сумма аос,т и ар превосходит предел текучести материала, то
происходит ero пластическое течение и наблюдается. релаксация
аост, Таким образом, остаточные макронапряжения мало или
вообще не влияют на прочность металла, если при испытании
(эксплуатации) происходит ero макроскопическое пластическое
деформирование.
При циклическом наrружении релаксация макронапряжениЙ
набтодаетсн в ТОМ. случае, коrда сумма аост и ар превосходит
циклический предел текучести. Причем характер взаимодействия
остаточных и рабочих напряжениЙ зависит от вида напри,.
женноrо состояния, скорости наl"ружения, температуры на-
rpeBa, окружающей среды и CTPYKTypHoro состояния мате..
риала.
В литературе давно дискутируетен вопрос о влиянии наклепа
повеРХНОСТНОI"О слоя и остаточных макронапряжений на изме.
нение сопротивлению усталости. Повышение предела выносливости
при 20 ос ста ей, подвершутых ППД, обусловленное rv;,3I{.ронапря"
жениями A.a, l и наклепом поверхностноrо СЛОЯ .6.a !, зависит
от структурно фа:З0воrо tQСТОЯНИЯ материала (89). Для образцов из
сталей с сорбитной и трооститной структурами величина
tla:'!/ b.a 1 (Д.a l == Дa: ! + 1'1.0'+1 общее уве,личение предела
выносливости, [де да.'...! и Аа:'! рост предела выносливости,
обусловленный соответственно макронапряжениями и наклепом
поверХНОСТНОf'О слоя), положительна, но снижается 01' 77 ДО 42 %
с ростом микротвердости от 200 до 480 HV. Это обусломено poc
том предела текучести и соответственно остаточных макрона.пряо
жений в сталях при увеличении их твердости.
Однако для сталей е мартенситной структурой величина да:'!
становится отрицательной, Отмечено, что эффективность ППД
зависит от микротвердости стали и при >700 HV она практически
равна нулю. Можно предположить, что это оБУСJIовлено повы-
шенной хрупкостью мартенситных сталей после ППД, что об
JIеrчает процесс зарождения трещин.
Резу,пьтаты МНОf'очисленных исследований наказывают, что
при высокоЙ температуре HarpeBa и циклическом наrружении
остаточные макронапряжения независимо от их значения и знака
мало или вообще не оказывают влияния на сопротивление YCTa
лости жаропрочных сплавов, Это обусловлено прежде Bcero
быстрой релаксацией С)ои при HarpeBe обраЗlJ,ОВ,
Влияние параметров поверхностноrо слоя Н3. СОПjJОТИВ,1!:ение
усталости после механической обработки. В настоящее время
только для некоторых конструкционных материалов имеются
экспериментальные зависимости характеристик прочности от OCHOB
ных параметров поверхностноrо слоя. Например, зависимость
сопротивления усталости 0'.1 (l\>lПа) жаропрочных сплавов от
параметров поверХНОСТНОI'О слоя после шлифования выра-
145
4.1. 3начщlИЯ коэффициентов Ао, Ан Aia и Аз в уравнении (4.5)
ДЛЯ сплавов ХН70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ и ХН55ВМТКЮ
(на базе 100 млн. циклов)
Темпера-
тура на-
Сплав А. А, А. А. rpeBa прн
испытании
на уста-
ЛОСТЬ, ос
ХН70ВМТЮ 305,9 3,53 1,36 0.54 800
ХН70ВМТЮФ 309,2 """'::1,26 1,56 1,29 800
ХН55ВМТЮQ 309,1 3,12 1,37 1,02 900
жается уравнением множественной
вида:
реrрессии
следующеrо
0' 1 == Ао + А1 Ra + A2hH + Азию
(4.5)
rде Ra, hH, ин параметры поверхностноrо слоя Ra, hнo мкм;
ИН. %; Ао, Аl' А2, Аз коэффициенты при переменных в кор-
реляционном уравнении (табл. 4.1).
Снижение сопротивления усталости жаропрочных сплавов (на
базе 100 млн. циклов) от cOBMecTHoro влияния параметров поверх-
HocTHoro слоя относительно сопротивления усталости этих спла-
вов с шероховатостью поверхности Ra == 0,01 мкм в среднем
составляет при шлифовании поверхности с параллельным направ-
лением неровностей на поверхности с Ra == 0,08 ... 5 мкм
10 ... 30 %, а при шлифовании поверхности с перпендикулярным
направлением неровностей соответственно 17... 40 %. Влияние
параметров поверхностноrо слоя на сопротивление усталости на
базе 10 млн. циклов несколько слабее: снижение сопротивления
усталости при шлифовании вдоль образца в том же интервале
микронеровностей поверхности составляет соответственно 7...
20 %, а при шлифовании поперек образца 10... 25 %.
Совместное рассмотрение данных о комплексном и раздельном
влиянии параметров поверхностноrо слоя на сопротивление уста-
лости позволило установить определенное соотношение между зна-
чимостью каждоrо из них. Например, относительная значимость
каждоrо из параметров поверхностноrо слоя в снижении сопро-
тивления усталости жаропрочных сплавов после шлифования при
заданных условиях испытания оценивается следующим образом:
шероховатость поверхности до 50 %, физико-химическое состояние
поверхностноrо слоя 40... 45 % и технолоrические остаточные
макронапряжения 5 ... 10 %, причем это отношение практически
сохраняется постоянным в интервале оптимальных режимов шли-
фования, обеспечивающих шероховатость поверхности Ra ==
== 5 .., 16 мкм для данноrо физико-химическоrо состояния поверх-
HOCTHoro слоя.
146
4.2. ТРЕНИЕ И ИЗНОС
Мноrие детали машин работают в условиях трения, возникаю",
щеrо при относитеJIЬНОМ перемещении контактирующих тел.
При этом они подверrаются изнашиванию. Под изнашиванием
понимают процесс разрушения и отделения материала с поверх
ности твердоrо тела и (или) накопление ero остаточной деформации
при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров
и (ИJIИ) формы тела. Количественной характеристикой изнашива
ния является износ, оuениваемый, например, по убыли массы
детали за время ее работы.
Основные триболоrические * характеристики (интенсивность
изнашивания и коэффициент трения kTp) зависят от физико-химиче..
cKoro состояния контактирующих материалов и условий их работы:
величины наrрузки Р, скорости перемещения Vn, рабочей темпе-
ратуры Тр, свойств рабочей среды СХ' ДЛЯ всех материалов су-
ществует диапазон величин Р, Vu, Тр, Сх, в котором значения
kTp и J HaMHoro ниже, чем вне этоrо диапазона [54, 56 1. ДaH
ное явление результат структурной приспособляемости мате-
риалов, заключающейся в перестройке структуры ПQверхностноrо
слоя в энерrетически выrодную для данных условий наrружения.
При этом взаимодействие трущихся тел и рабочей среды локали-
зуется в тонком слое, характеризующемся особым структур но-
фазовым состоянием (слой «вторичных» структур). Этот слой за-
щищает основной материал от разрушения. Внешние механиче-
ские воздействия неизбежно разрушают слой вторичных струк-
тур, но параллельно идет процесс ero образования. Таким обра-
зом, наблюдается динамическое равновесие процессов разруше-
ния и образования вторичных структур. .
Отметим, что явление структурной приспособленности нашло
объяснение в рамках структурно-энерrетической теории трения,
разработанной на основе термодинамики необратимых процессов
[56].
Нормальное механо-химическое изнашивание происходит при
реализации структурной приспособляемости. Нормальное изна-
шивание включает комплекс явлений, связанных с деформацией,
текстурированием тончайших поверхностных слоев металла, их
взаимодействием с химически активными компонентами рабочей
среды. Наиболее распространенной разновидностью нормальноrо
изнашивания является окислительное, при котором на поверх-
ности трения образуется защитная оксидная пленка. Коэффициент
kTp при нормальном окислительном изнашивании имеет величину
порядка lO 2 ... 10 1, разрушение локализуется в тонком слое тол-
щиной 1O 3... 1 O 2 мм [53J. Этот вид изнашивания наблюдается
при невысоких рабочих температурах. При нормальном изнаши-
* Триболоrия наука, занимающаяся изучением трения и износа узлов
машин и механизмов.
141
вании в сечении детали можно выделить три зоны, отличающиеся
по своему структурно фазовому состоянию: зону с измененным фа..
зовым составом, характеризующуюся мелкодисперсноЙ CTPYК'I'Y-
рой и текстурой (зона вторичных структур); подповерхностную
зону с повышенной плотностью дислокаций и, наконец, метаю:\
в объеме. Для нормальноrо изнашивания характерна ОДНОРОk
ность деформированноrо состояния по поверхности детали, рав-
номерность распределения дефектов решетки. Все это происходит
В условиях стимулирующеrо действия адсорбции и диффузии
активных компонентов среды в металл, причем скорость диффузии,
а также химических реакций в поверхностном слое увеличиваются
на несколько порядков по сравнению с металлом в объеме.
По классификации, предложенной Б. И. Костецким [53], нор..
мальное механо-химическое изнашивание является допустимым
видом разрушения при трении. К этому же виду относится.окисли"
теjIьная форма абразивноrо изнашивания (условно нормальноrо),
происходящеrо без снятия микростружки и повреждения царапа-
нием. Коэффициент трения при таком изнашивании имеет вели
чину Toro же порядка, что и при нормальном окислительном
изнашивании, но толщина разрушающеrося слоя на порядок выше.
К недопустимым видам разрушения при трении относятся схва-
тывание 1 и Прода, фреттинr-процесс, механическая форма
абразивноrо изнашивания, контактная усталость (явления пов-
реждаемости при трении). Эти явления наблюдаются при значениях
параметров Р, VN, Т р' Сх выше критических. Коэффициент тре-
ния и rлубина разрушающеrося слоя при этом возрастают на
1 .Н 2 порядка по сравнению со значениями, характерными для
нормаЛЬноrо изнашивания. Резко уменьшается (на несколько по-
рядков) удельная работа поверхностноrо разрушения, равная от-
ношению работы трения к удалещюй в результате изнашивания
массе детали.
Разрушение схватыванием заключается в сцеплении трущи-
хся материалов на отдельных участках с последующим вырыва-
нием частиц из поверхностноrо слоя одной детали и налипанием
или наволакиванием их на поверхность друrой детали. Это обы-
чно приводит К появлению на поверхностях трения рисок и за-
диров. Схватывание происходит на участках физическоrо конта-
кта свежих ювенильных поверхностей. Причем схватывание 1
рода возникает при малых скоростях VN И высоких наrрузках Р,
приводящих к большой пластической деформации; схватывание
II рода происходит при высоких скоростях Vu и нar'рузках Р,
что ведет к возникновению недопустимо больших температур.
Поэтому факторы, затрудняющие непосредственное соприкосно-
вение поверхностей трущихся деталей, П.lIастическое деформи-
рование поверхностноrо слоя, ero HarpeB противодействуют схва-
тыванию.
Нормальное изнашивание протекает в три этапа. В начальный
период происходит приработка, т. е. процесс изменения х'еометрии
148
поверхностей трения и физико химическоrо состояния поверхно-
C1'HOrO слоя трущихся материалов. В этот период (при неизменном
режиме трения) снижаются скорость изнашивания и коэффици
ент трения. Происходят коренные изменения характеристик микро-
рельефа поверхности и структурно-фазовоrо состояния поверх-
HOCTHoro слоя (идет процесс CTPYKTypHoro приспособления). По
сле окончания приработки возникает «равновесная» шерохова-
тость поверхности. Она не зависит от величины и характера ше
роховатости поверхности в исходном состоянии [56 J.
После приработки наступает период установившеrося изнаши
вания, отличающийся постоянством интенсивности. Этот период
характеризуется равновесием процессов возникновения и раз-
рушения «вторичных» структур, теплообразования и теплоотвода.
После истечения определенноrо периода времени интенсивность
изнашивания начинает увеличиваться, наступает этап усиленноrо
изнашивания. Это вызвано заметными изменениями в. условиях
работы узла трения вследствие изменения зазоров в сопряжениях,
rеометрической формы деталей и пр. Отметим, что при неблаrо-
приятных условиях приработки этап установившеrося изнашива-
ния может и не наблюдаться.
Влияние состояния поверхностноrо слоя на износостойкость.
Шероховатость поверхности детали (высота, форма и направление
микронеровностей) оказывает влияние на износостойкость только
в период приработки. От шероховатости зависит также длитель
ность этоrо периода. Экспериментально установлено [45, 56 J,
что для каждой конкретной детали существует оптимальная шеро-
ховатость, при которой коэффициент kTp и износ оказываются ми-
нимальными. Оптимальной следует считать шероховатость, близ-
кую к «равновесной». При этом снижается износ, сокращается
продолжительность приработки, предотвращается развитие яв-
лений повреждаемости (в частности, схватывания).
. Для снижения износа на поверхность детали наносят реrуляр-
ный микрорельеф, представляющий собой систему реrулярно рас-
положе ных канавок. При трении со смазкой эти канавки иrрают
роль «масляных карманов»: по мере изнашивания смазка из них
поступает в пространство между трущимися поверхностями. Кроме
Toro, в канавки собираются продукты износа, что снижает интен
сивность абразивноrо изнашивания.
Для повышения износостойкости' деталей широко используют
методы ППД [34, 91]. После такой обработки повышаются сопро-
тивление пластическому деформированию, твердость, увеличива-
ется равномерность распределения дефектов решетки по поверх-
ности детали. Предварительный наклеп активирует поверхност-
ный слой, ЧТО приводит К росту скоростей диффузии и химических
реакций. Если деталь работает в условиях нормальноrо изнаши-
вания, то это положительно сказывается на ее износостойкости,
поскольку уменьшается время образования защитных «вторичных»
структур и соответственно продолжительность приработки.Следует
149
указать, что зависимость износостоЙкости от rлубины и степени
наклепа поверхностноrо слоя немонотонная: максимальное сни-
жение износа достиrается после обработки с определенными
(оптимальными) по значению hH и Ин.
Износостойкость деталей зависит от кристаллоrрафической
ориентации зерен в поверхностном слое. При исследовании кри
сталлов Nb, Си, Zn, Si с различной ориентацией плоскости по-
верхности обнаружена заметная анизотропия коэффициента тре-
ния и износостойкости [52 J. Значение kTp при трении меди в поли-
кристаллическом и монокристаллическом состоянии с ориента-
цией плоскости поверхности {1111 по окиси алюминия заметно
отличаются [116 Т. С ростом наrрузки Р это различие уменьша-
ется, что обусловлено формированием при трении в поверхностном
слое поликристаллическоrо и монокристаллическоrо образцов
близкоrо по характеристикам CTPYKTypHoro состояния.
Можно предположить, что оптимальной для деталей является
текстура, аналоrичная той, которая формируется в процессе тре-
ния. Наличие оптимальной текстуры создает блаrоприятные усло-
вия для приработки, предотвращает развитие явлений поврежда-
емости.
Фазовый и химический составы поверхностноrо слоя оказывают
существенное влияние на триботехнические характеристики ма-
териалов. Данные, приведенные в обзоре [911, показывают, что
обработка лучом лазера поверхностноrо слоя сталей 40Х, ШХI5,
У10, Р6М5, XBr позволяет резко повысить их износостойкость.
Это обусловлено прежде Bcero образованием в поверхностном слое
облученных сталей высокодисперсноrо мартенсита, обладающеrо
высоким сопротивлением пластической деформации и большой
твердостью. Указывается, что снижение износа при трении без
смазки (на порядок по величине) быстрорежущей стали P18 после
электронно-лучевой обработки обусловлено радиационными пов-
реждениями и выделением мелкодисперсных карбидов типа W2C
и У2с.
Исследовалось влияние фазовоrо состава на износ нестабиль-
но-аустенитных хромомарrанцевых сталей при трении по абра-
зиву [62 J. Показано, что наличие в их поверхностном слое мар-
тенсита деформации приводит к повышению износостойкости
до уровня стали 45, имеющей в исходном состоянии значительно
более высокую твердость, чем хромомарrанцевые стали.
Разнообразные изменения в фазовом составе поверхностноrо
слоя происходят при поверхностном ,леrировании материалов.
Широко используемая для повышения износостойкости химико-
термическая обработка направлена на получение в поверхност-
ном слое металлов блаrоприятноrо структурно-фазовоrо состоя-
ния. Например, при азотировании сталей в поверхностном слое
образуются нитриды и карбонитриды железа, ,а также нитриды
друrих элементов, содержащихся в сталях. Еще большую твер-
дость (до 2000 НУ) приобретает сталь после борирования, при
150
этом обычно образуются бориды типа РеВ и Ре2В. Цементация
маJюуrлеродистых сталей позволяет получить в поверхностном
СJюе после закалки высокоуrлеродистый мартенсит, в то время
как сердцевина остается мяrкой и вязкой, Для повышения износо-
стойкости на поверхность деталей наносят различные покрытия
rальваническими, rазотермическим методами, осаждением в Ba
кууме и др. (см. rл. 5.). При выборе материала покрытия необ-
ходимо помнить, что металлы с .rП решеткой обычно имеют нам..
нот'о БОJ!ее высокую износостойкость, чем металлы с кубическими
решетками
Остаточные макронапряжения в поверхностном слое мало
ВJIИШОТ на еео ИЗНОС.. ЭТО обусловлено тем, что при трении в по
верхностном слое протекает интенсивное пластическое деформи-
рование, что способствует быстрой релаксации макронапряжений,
4.3. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
Коррозия металлов и сплавов представляет собой процесс их
самопроизвольноrо разрушения в результате взаимодействия с ок-
ружающей средой. Безвозвратные потери металла вследствие кор..
розии составляют около 15 % Bcero объема BblnycKaeMoro метал-
ла, поэтому исследованию процесса коррозии и повышению кор-
розионной стойкости металлов уделяется большое внимание
[33, 461.
Различают два основных вида коррозии химическую и
ЭJIектрохимическую. Электрохимическая коррозия протекает в
результате взаимодействия металла с электролитами раство-
рами или расплавами солей и щелочей, растворами кислот, а
также влажной атмосферой. При этом процесс разрушения металла
сопровождается протеканием э.лектрическоrо тока между анодными
и I<атодными участками поверхности. Образование таких резко
отличающихся по свойствам участков на поверхности металла обу
словлено неоднородностью физико-химическоrо состояния по-
BepXHoCTHoro слоя материала, КQ!-щентрационной неоднородно-.
стыо коррозионной среды, неоднородностью физических условий
на rранице металл среда, которая связана снеравномерностью
температуры среды, скоростью ее движения и пр.
Анодный (окислительный) процесс связан с переходом ионов
мета.rIла в ЭJIен;тролит:
Ме --+ Ме+ + e . (4.6)
Оетающиеся в метал,пе «избыточные» электроны участвуют
в катодном (восстановительном) процессе. Сущность катодноrо
процесса состоит в ассимиляции этих ЭJ!ектронов деполяризатора
ми, в роли которых выступают ионы или молекулы электролита,
например:
02 + 4e + 2Н2О 40H .
(4.7)
Такой процесс протекает в нейтральных и щелочных средах
в присутствии кислорода. Ионы Ме+ MoryT в дальнейшем взаимо
151
I{J
Рис. 4.6. Катодная (1) и а:НОД!lЬ!!!! (2, 3)
поляриаiщионные кривые:
2 без пассивации; а при 1'13"''''1''11 [1,'11:-
сивзции '
l{Iпер
l{I;
l{Iп
действовать с OH и 02, в резуль
тате чеrо образуется rидратиро"
ванный окисел металла.
ТермодинамичеСIШМ условием
электрохимической коррозии
является
Z
I I
I
I :. rде I1Йа и I10н изменение ево-
1, Lg 1 бодной энерrии rиббса при про-
текании анодной и катодной реакций. Значения I1Ga и I1G'/{
пропорционаJIЬНЫ значениям равновесных ЭJIектрических потен-
циалов анода cPg и катода cp соответственно. Поэтому термоди..
намическое условие (4.7) можно сформулировать как cp < cp .
Значения I1G (срО) зависят от характеристик системы метал.lХ -
среДа, их можно определить экспериментально или расчетным
путем.
О скорости
величине силы
tp;
I10а + &Gи < О,
(4.8)
электрохимической коррозии
тока 1, протекающеrо между
СРи СРа 1 R ,
можно судить по
анодом и катодом
(4.9)
rде СРи И СРа потенциалы катода и анода; R электрическое
сопротивление участка поверхности между катодом и анодом.
Законы Фарадея устанавливают связь между скоростью paCTBO
рения металла и величиной 1. Значения СР'/{ и СРа при протекании
коррозии отличаются от равновесных вследствие эффекта поля..
ризации. С ростом силы тока обычно потенциа,п анода увеличива-
ется, а катода уменьшается (см. кривые 1, 2 на рис. 4 6). При
естественной коррозии значение R мало, поэтому значение силы
тока 11 коррозии можно ,найти из условия СРи СРа'
В ряде случаев наблюдается пассивация поверхности матери-
ала. Поляризационная кривая 3 металла при наличии пассивации
показана на рис. 4.6. Видно, что при СРи < ср < СРпер скорость
коррозии И соответственно сила тока коррозии малы. Причина
пассивности металла образование на ero поверхности в резуль-
тате адсорбции кислорода или друrоrо окислителя слоев, снижа-
ющих активность металла, либо формирование неактивных 01{--
сидных или солевых пленок. И лишь при СРа > СРпер интенсивность
коррозии резко увеличивается с ростом СРа, что обусловлено раЗБИ-
тием точечной коррозии в присутствии аrрессивных (обычно хло-
ридных) ионов, разрушающих в отдельных местах пассивирующие
пленки.
Все методы защиты металла от электрохимической коррозии
предусматривают снижение силы тока коррозии, например, в ре-
152
sультате «rrеревода» металла в пассивное состояние. Этоrо MO
жно добиться изменением физико химическоrо состояния металла.
Примером служит леrирование железа хромом и никелем, что
способствует образованию при коррозии пассивирующей окиснои
пленки на поверхности сплава.
Химическая коррозия ПРQтекает в rазовых средах при OTCYT
ствии влаrи (rазовая коррозия), а также в жидкостях, не являю-
щихся электролитами. Металл при этом разрушается вследствие
чисто химических реакций. Наибольшее практическое значение
имеет химическая коррозия при повышенных; температурах в ra'"
зовых средах, содержащих кислород. Коррозионную стойкость
при высоко.:rемпературной fазовой коррозии называют ,жаростой,.
костью. В реЗУJIьтате коррозии металл переходит в окисленное
состояние
хМе + у02 --+ Мех02у. (4.10)
РеаIЩИЯ (4.10) протекает при !!.О < О, [де !!.О изменение
свободной энерrии fиббса системы при переходе в окисленное
состояние. Наиболее активно взаимодействуют с кислородом Al,
Cr, Ti, Si, У, Hf, редкоземельные металлы. Блаrородные ме-
таллы не подверrаются коррозии в кислороде (!!.О > О). Отметим,
что при 20 ос практически все металлы MorYT подверrаться окисле-
нию в воздушной атмосфере. Однако условие ДО > О не дает CBe
дений о скорости коррозии, определяемой скоростью роста ОКСИk
ных пленок. Различают сплошные и пористые оксидные пленки.
Первые образуются при условии
1 < (Vои/V ме) < 2,5,
(4.11)
[де 1/011 и V Ме объемы оксида и металла, израсходованноrо на
образование оксида. '
В ряде случаев' возникающие при образовании оксида механи-
ческие напряжения приведут к растрескиванию и отслаиванию
оксидной пленки. К высоким внутренним напряжениям в решетке
оксида ведут также особенности диффузии через нее катионов и
анионов, rеометрия детали, несоответствие коэффициентов линей-
HOI"O расширения металла и оксида и друrие причины [50].
При росте пор истых оксидных пленок кислород свободно посту-
пает к Iювер:х:ности металла по трещинам и сколам в пленке.
Толщина пленки при этом изменяется со временем 1: по линейному
закону
h == k1'L,
(4.12)
rде k1. . константа.
Лимитирующей стадией роста сплошных пленок является пере-
мещение по объему оксида в зону реаrирования ионов металла и
кислорода, а также электронов сквозь оксидную пленку. Образо-
вание сплошных пленок ведет к замедлению процесса окисления,
т. е. эти пленки обладают защитными свойствами. Рост достаточно
153
толстых пленок (h;:c; 10 им) подчиняется параболическому за
кону
h2 ==о kт: ИJIИ q2 == kp'C, (4, 13)
rдe q масса оксида; k и kp коэффициенты.
Поскольку диффузионное перемещение частиц в решетке оксида
идет по точечным дефектам, их концентрация имеет большое зна
чение в процессе коррозии. Температурная зависимость константы
kp описывается законом Аррениуса
kp ==о (kp)o ехр ( QIRT), (4.14)
,де (kp)o предэкспоненциальный множитель; Q - энерI'И aK
тивации диффузии частиц в оксиде; R rазовая постоянная;
т ,абсолютная температура.
В общем случае рост оксида описывается уравнением
qft == kn'L. (4.15)
Чем значение параметра п ближе к 1, тем в большей мере рост
пленки лимитируется скоростью реакции (4.10); при п == 2 рост
пленки лимитируется диффузией в оксиде. Если п > 2, тЬ это,
свидетельствует о действии каких-либо факторов, замедляющих
диффузию и тормозящих рост оксида. '
Окисление мноrокомпонентноrо сплава в значительной CTe
пени зависит от ero химическоrо состава, Если концентрация леrи
рующих компонентов невелика, то на сплаве обычно образуется
оксид металла основы, в котором MorYT растворятся атоIvlЫ леrи
рующих компонентов. При этом скорость окисления меняется
вследствие изменения концентрации точечных дефектов в решетке
оксида металла основы при растворении в нем: друrих элементов.
Это происходит, например, если валентности OCHoBHoro и примес
Horo элементов раЗJШЧНЫ,
При более высокой концентрации леrирующих элементов на
сплавах MorYT образовываться отдеJIьные слои окислов различных
компонентов сплава, слой смеси оксидов или слои сложных
мноrокомпонентных окислов, например, шпине.IJИ типа Ме'Ме2О4.
Изменение скорости окисления сплава по сравнению с чистым
металлом в этом случае обусловлено образованием новых окислов,
имеющих иную проницаемость для ионов металла и кислорода.
Если скорость диффузии кислорода в сплаве на основе БОJ1ее
блаrородноrо Ме', выше скорости диффузии менее блаrород-
Horo Ме", то наблюдается явление BHYTpeHHero окисления. При
этом под оксидной пленкой /l1е Оу (окалиной) образуется слой
металла, обоrащенный более блаrородным компонентом и содер-
жащий частицы оксида менее блаrородноrо элемента. Этот слой
называют подокалиной. Внутреннее окисление наблюдается только
ниже некоторой критической для менее блаrородноrо элемента
молярной доли в сплаве (обычно 10 %).
Общая и местная коррозия различаются по характеру корро-
зионноrо воздействия. При общей коррозии раЗРУI.uение металла
154 '
и образование оксидной пленки происходит более или менее paB
номер но по всей поверхности металла. При местной коррозии
разрушение носит локальный характер. Явление местной корро-
зии часто наблюдается при электрохимической коррозии. При
этом различают точечную коррозию, межкристаллитную (по rpa-
ницам зерен), контактную (в местах контактов различных ме-
таллов), щелевую (в зазорах и щелях детали). В ряде случаев
коррозия, носит структурно-избирательный характер, при этом
происходит интенсивная коррозия наименее коррозионно-стойкю'l:
фаз в сплаве. Например, наб.rrюдали интенсивную избирательную
коррозию волокон б фазы (N iзNЬ) в окисленном на воздухе эв
тектическом жаропрочном никелевом сплаве со структурой
-v/v' б [70]. Хотя потери металла от общей коррозии пре06.
ладают, местная коррозия является более опасной, поскольку
сильно влияет на прочностные свойства деталей.
Методы исследования коррозионной стойкости. Простейшим
способом оценки коррозионной стойкости является определение
изменения массы образца после испытания. Например, соrласно
[ОСТ 6130 71 жаростойкость материалов характеризуется удель-'
ным (на единицу площади поверхности) приростом массы образцов
после окисления q или удельным уменьшением массы после удале-
ния продуктов коррозии q*. ,
Неравномерное по характеру коррозионное разрушение оцени-
вают по rлубине проникновения коррозии hHOP' Величину hl!oP
измеряют одним из микроскопических методов (ОМ 'или РЭМ).
Основным методом исследования электрохимической коррозии
является построение поляризационных кривых металла (см.
рис. 4.6), что позволяет предсказать ero поведение в различных
условиях. Однако в ряде случаев измеряют убыль массы или
rлубину коррозии.
Поскольку коррозия faтериала ведет к изменению физико
химическоrо состояния ero поверхностноrо слоя, то для исследо-
вания процесса коррозии и коррозионной стойкости можно при-
менять методы изучения химическоrо состава и структурно-фа-
зовоrо состояния (см. rл. 2). Коррозионная стойкость, очевидно,
тем выше, чем меньше изменения в физико-химическом состоянии
поверхностноrо слоя металла, обусловленные коррозией. Приме-
ры использования этих методов для оценки жаростойкости при-
ведены в работе [72],
Влияние химическоrо состава поверхностноrо слоя. Химиче
ский состав поверхностноrо слоя материала оказывает влияние на
коррозионную стойкость. Поскольку коррозия поверхност-
ное явление, постольку влияние на нее химическоrо состава Me
талла по существу сводится к влиянию состава ero поверхностноrо
слоя. Поэтому для повышения коррозионной стойкости материалов
проводят их поверхностное леrирование, наносят различные по-
крытия (см. rл. 5). Причем объемное леrирование часто оказы-
вается экономически нецелесообразным, особенно при исполыю-
155
вании в качестве леrирующих компонентов таких дороrостоящих
элементов, как У, Hf, Pt, редкоземельных металлов и др. Введение
таких элементов в количестве Bcero лишь ,....,0,1 .,. 1 % может
существенно повысить сопротивление химической и электрохими
ческой коррозии [40, 50]. Следует однако помнить, что при УБе
личении продолжительности коррозионноrо воздействия защитные
свойства леrированноrо поверхностноrо слоя постепенно исчер
пываются в результате ero коррозионноrо разрушения, диффузии
леrирующих компонентов в объем и т. д.
Влияние ctpyktypho-фаЗ0воrо состояния поверхностноrо слоя.
Наклеп поверхностноrо слоя материала ведет к росту ero СЕоБОk
ной энерrии и, следовательно, склонность к коррозии повышается.
Кроме Toro, наклеп приводит к увеличению числа дефектов решетки
и соответственно росту диффузионной подвижности атомов в Me
талле. Поэтому обычно наклеп интенсифицирует процесс коррозии.
Зависимости толщины поверхностноrо слоя hпс измененноrо
химическоrо состава шлифованных и электрополированных об-
разцов из сплава ХН56ВМКЮ при окислении на воздухе при
ведены на рис. 4.7 [50], Из рис. 4.7 следует, что интенсивность
окисления наклепанных образцов значительно выше. Кривые жа-
ростойкости сплава ВЖЛ 12У дО ионноrо леrирования химически
инертным Хе и после леrирования приведены на рис. 4.8. Образцы
после ионноrо леrирования оказываются значительно более ак-
тивными. Это обусловлено, очевидно, ростом числа дефектов pe
шетки при воздействии на поверхностный слой сплава ионноrо
пучка (радиационная повреждаемость), После BaKyyMHoro отжиrа
образцов (при 1000 ос 1 ч), ведущеrо к снижению концентрации
дефектов решетки, кривые жаростойкости леrированноrо ксеноном
сплава и сплава, не подверrав-
шеrося ионному леrированию,
практически совпадают.
Следует отметить, что пла
стическое деформирование ме-
талла ведет не только к ero
hпc 1 МКМ
БО
g, е/См2
0,100
0,075
0,050
100 150 200 250:?:, ч
156
Рис, 4.7, Изменение толщины по
BepXHocTHoro слоя образцов из спла
ва ХН56ВМКЮ после электрополи
рования (1, 2) и щлифования (1', 2')
в зависимости от температуры и про-
должительности окисления:
1,1' 950 ос; 2,2' 1050 ос
Рис. 4.8. Жаростойкость сплава
ВЖЛ12У дО (1) и после ионноrо ле-
rирования Хе+ (2) (испытание на воз-
духе при 1000 ОС)
наклепу, но и изменяет шероховатость поверхности, уровень мак-
ронапряжений, а в ряде случаев приводит к структурным И фа-
зовым превращениям, Наличие разных фаз в сплаве, имеющих
различные электрохимические характеристики и жаростойкость,
повышает неоднородность состояния поверхностноrо слоя, что
способствует развитию местной коррозии,
flаиболее ярко влияние фазовоrо состава на коррозионную
стойкость материала проявляется при превращении структуры
металла из кристаллической в аморфную (и обратно). Аморфные
металлы получают охлаждением расплавов с очень большой ско-
ростью (vохл <: 106 К/с). Для аморфизации поверхностноrо слоя
материалов используют ионно-лучевую обработку, а также об-
работку электронным и лазерным лучами. Мноrие аморфные сплавы
на основе железа, титана, кобальта обладают превосходной корро-
зиойной стойкостью. Аморфные сплавы имеют ток пассивации на
один или несколько порядков ниже по величине, чем сплавы Toro
же химическоrо состава, но с кристаллической структурой.
Точечная коррозия аморфных сплавов наблюдается при значи-
тельно более высоких потенциалах. Предполаrается, что причиной
их высокой коррозионной стойкости является формирование пас-
сивирующих пленок с аморфной структурой [70 J. ЭТИ пленки
обладают малой проницаемостью для частиц, быстро восстанавли-
ваются при разрушении (явление репассивации), являются более
пластичными.
Шероховатость поверхности также влияет на коррозионную
стойкость. Обычно рост шероховатости ведет к увеличению актив-
ности коррозии. Повышение шероховатости приводит к увеличе-
нию реальной площади корродирующей поверхности. Растет
электрохимическая неоднородность поверхностноrо слоя. При ra-
зовой коррозии во впадинах собираются аrрессивные примеси
среды (например, сульфиды и хлориды металлов на поверхности
лопаток [ТД), интенсифицирующие коррозию. Защитные окисные
пленки на поверхности с rрубым рельефом в большей степени
склонны к растрескиванию.
4\.4\. ТОЧIЮСТЬ ДЕТА.Т.lЕЙ И НАДЕЖНОСТЬ
НЕПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ
Точность, наряду с прочностью и износостойкостью, является
важнейшим показателем эксплуатационной надежности деталей.
Следует различать статическую точность, получаемую в результате
обработки и сборки, и динамическую точность, получаемую при
работе детали и зависящую от эксплуатационных факторов (ско-
рости, динамических наrрузок, температуры HarpeBa и др.). .
Исходная точность детали зависит от методов и режимов об-
работки и определяется точностью размеров, фор ды и точностью
взаимноrо расположения поверхностей. При сборке изделия ис'
157
ходная точность детали, полученная после обработки, может
изменяться в зависимости от ВИда сопряжений, монтажных за-
:юров, натяrов и методов сборки. Точность детали после обработки
и в процессе сборки можно сравнительно леrко определить с по
мощью современных измерительных приборов и устройств, а
контроль и проrнозирование динамической точноСти детали весьма
sатруднены. Только после HeKoToporo срока эксплуатации при
разборке изделия можно определить характер влияния парамет
ров поверхностноrо слоя на точность детали.
Из всех параметров поверхностноrо слоя наибольшее влияние
на точность детали в эксплуатации оказывают остаточные мащ.ю-
напряжения. Потеря исходной точности детали в период ЭКСПJlу-
атации обусловлена их деформацией, вызванной релаксацией ос-
таточных напряжений под воздействием температуры, наrрузки
и времени. Влияние деформации на точность rеометрической
формы деталей в процессе их эксплуатации особенно существенно
для тонкостенных деталей типа лопаток турбины. При длительной
эксплуатации деталей, а также под воздействием высоких рабочих
температур происходит релаксаЦИ5r макронапряжений в поверх-
ностном слое, протекающая тем полнее, чем выше температура на-
[рева и больше продолжительность воздействия теплоты. При этом
скорость релаксации остаточных макронапряжений разноrо знака
неодинакова. Остаточные макронапряжения в поверхностном
слое тонкостенных деталей обычно имеют неравномерное распре
деление (переходящие от сжимающих к растяrивающим напряже-
ниям и наоборот), их релаксация происходит с различной скоро-
стью, вследствие чеrо неизбежна деформация детали, снижающая
ее точность. Направление и величина деформации зависят от Be
личины и характера распределения остаточных макронапряжений
поверхностноrо слоя, а также от жесткости детали. Вели
чина деформации деталей может быть определена расчетным
путем.
Установление математических зависимостей между величиной
и направлением деформации при изrотовлении детали и релакса-
цией остаточных напряжений в условиях эксплуатации позволит
оптимизировать режимы обработки, обеспечивающие не только
достижение, но и длительное сохранение точноСти rеометрической
формы деталей. '
Надежность неподвижных разъемных сопряжений деталей
в эксплуатации, rлавным образом, зависит от шероховатости по
верхности, конструкции деталей и условий эксплуатации. При
большой шероховатости поверхности в результате смятия rребеш-
ков нарушается вид посадки. При ,малой шероховатости (Ra ..:;
..:; 0,16 мкм) не обеспечивается необходимое сцепление сопря-
женных поверхностей, поэтому для каждоrо вида посадки суще-
ствует своя оптимальная шероховатость поверхности, обе-
спечивающая высокую надежность сопряжений в эксплуа
тации.
158
4.5. ВЫБОР И ТЕхнолоrИЧЕСI(ОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
nOBEPXHOCTHoro СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ДЛЯ ЗАДАННЫХ ЭI(СПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
в настоящее время в машиностроении существуют реальные
возможности технолоrическоrо управления формированием выб
ранных параметров поверхностноrо слоя детали в процессе ее из
rотовления. Эта возможность может быть реализована рациональ
ным выбором методов и режимов предварительной и окончатель-
ной обработки рабочих поверхностей детали.
Установление оптимальных методов и режимов обработки,
обеспечивающих требуемую точность, параметры повеРХНОСТНlJrО
слоя и устойчивую работу технолоrической системы, является
одним из важных этапов технолоrической подrотовки производства.
Для технолоrическоrо обеспечения требуемых эксплуатационных
СВОЙств изrотавливаемой детали или узла необходимо:
конструктору выбрать материал детали, обоснованно опреде
лить и задать в чертеже соответствующие параметры поверхност,
Horo слоя и точности размеров, формы и взаимноrо расположения
поверхн.остей;
Анализ техничеuшх усло8иg на изоелие
и Ijсло(jиii Ж{пЛljотациu по ерхности iJеталu
(насрузко, носре8, среоо, ресурс рооотlJ! )
ОпреiJеление параметро8 осноВных эксплуатационных сбоuстВ I}O(jPPXHOcm
НОсО СЛDrI iJетали и их оопустимых преiJеЛIJНЫХ изменении
(прочностlJ, износостойкостlJ, f(ОРРОЗUОННШl стойкость, зрОЗИОННоrr стоиКОСТlJlJф)
t
Расчет параметро8 поf}ерхностНО20 [ЛОН и rJОПfjстимых сраниц их изменвнин
(шерохо6атость, 60лнистостlJ, cтPYKтIjP tpазg,6ыu и химическиu cocmotl,
фuзuко химическuе с оист а и ор.)
t
Выбор MemoJo8 оороботко робочей по8ерхноапи Jеташ о ананиз J
rpизUl(О химиче{/шх процвс[о протеКDfОЩИХ при or5par5omKB ,
(сило(Jые тепло81J!е, химические, сfjетолучеlJые, моснuтохимиЧЕ'Cfше,
прr/iJолжuт ЛlJностlJ фuзuко хuмическосо lJозiJеuст8urr)
...............
ф
счет рвжимо(} и теХНОЛОШЧЕ{коi) сеОестоимости f}bIOPOHHIJfX
L метоооб or5fJaOOmKU
Назначение, метооа, режима u ОрУ2их услоf}uи оораr50тки
Рис. 4.9. Схема выбора параметров nOBepXHocTHoro слоя детали с учетом задан
ных условий эксплуатации и их технолоrическоrо обеспечения
159
teX1-ЮJ10rу выбрать методы и режимы обработки, обеспечиваю
щие заданные параметры nOBepXHOCTHoro слоя и точности с наи-
меньшей теХНОJIOrической себестоимостью.
Схема выбора параметров поверхностноrо слоя деталей с учетом
.заданных условий эксплуатации и технолоrическоrо обеспечения
И1l: представлена на рис. 4.9,
Конструктор, зная технические условия на изделие и условия
еl'О нормальной эксплуатации, определяет основные параметры
эксплуатационных своЙств и допустимые пределы их и.зменения
ДЛЯ наиболее наrруженных поверхностей детали, лимитирующих
!)с:СУРС и надежность работы машины. Затем, анализируя взаимо-
связь между параметрамн эксплуатационных свойств, физию)-
химическими свойствами материала детали и параметрами ПО'"
BepXHoCTHoro слоя и учитывая заданную долrовечность ее работы,
'конструктор рассчитывает параметры повеРХНОСПJ()f'О слоя н ТОЧ
ности детаJIИ, определяющие требуемые эксплуатационные свой
С"!'Ва и в допустимых предепзх их изменения.
Вычис.l1енные параметры поверхнос:тноrо слоя и точности де,.
Т8JIИ должны находиться Б диапазоне теХНОJюrических возмож-
ностей машиностроитеJJьноrо производства, На данном этапе
:конструктор использует имеющиеся статистические данные по эксп-
луатации прототипов проектируемой машины, свой опыт работы,
rocYAapcTBeHHbIe стандарты.
Выбранные конструктором материа,;, детали, параметры точ-
ности и шероховатости поверхностноrо слоя рабочих поверхно-
стей детали ЯЮIЯЮТСЯ дЛЯ технолоrа исходными данными при раз..
работке технолоrическоrо процесса ее изrотовления.
Технолоr, выбрав возможные методы обработки, анализируя
их физико.химические процессы и зная зависимости параметров
поверхностноrо слоя от условий их обработки, рассчитывает ре..
:,жимы и условия обработки для каждоrо из выбранных методов
и технолоrическую себестоимость, обеспечивающих требуемые
параметры поверхностноrо слоя для рассматриваемой поверхности
детали.
Стандартизация параметров физико,химическоrо состояния по..
uepxHocTHoro слоя существенно облеrчи.па бы разработку опти-
мальной теХНОJIоrии изrотовления деталей машин.
rЛАВА
5
ТЕхнолоrИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА
И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
5.J. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕхнолоrИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ
nOBEPXHOCTHOrO СЛОЯ
в машиностроении используют различные технолоrические
методы обеспечения заданных параметров поверхностноrо слоя
деталей с учетом заданных условий их эксплуатации: рабочих
наrрузок, температуры HarpeBa, окружающей среды и продол-
жительности Физико-химическоrо воздействия.
Упрочнение поверхностным деформированием, обеспечиваю-
щее получение в поверхностном слое структур с повышенным
содержанием дефектов, широко используется для повышения со-
противления усталости как деталей без концентраторов напряже-
ний, так и деталей с концентраторами напряжений, работающих
при умеренных температурах HarpeBa (до температур воз-
врата) .
Химико-термические и термические поверхностно-упрочняю-
щие методы обработки (поверхностная закалка, цементация,
азотирование, алитирование, борирование) позволяют резко из-
менить физико-химическое состояние поверхностноrо слоя де-
талей и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (из-
носостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость и др.).
Применение этих методов является не только эффективным,
но в ряде случаев единственно возможным способом обеспечения
заданноrо ресурса и надежности работы деталей.
Жаростойкость, износостойкость и сопротивление коррозии
MorYT быть существенно повышены при нанесении на рабочую
поверхность детали металлических инеметаллических покрытий.
Высокая теплостойкость детали обеспечивается плазменным на-
пылением (соединение двух материалов происходит в результате
механическоrо сцепления и диффузии при температуре, равной
нескольким тысячам rрадусов). .
Практическое применение получили также наплавление, ла-
зерная обработка, ионное леrирование и т. д. Некоторые из этих
технолоrических процессов одновременно повышают сопротивле-
ние усталости, сопротивление коррозии и друrие эксплуатацион-
ные свойства поверхностноrо слоя детали.
Классификация технолоrических методов обеспечения требуе-
мых параметров поверхностноrо слоя деталей машин для задан-
ных условий эксплуатации приведена в табл. 5.1.
6 Сулима А. М. и др.
161
о; 5.1. Характеристики технолоrических методов обработки поверхностиоrо CJlоя деТЗ"lей машин
liO:I
Обрабаты- Шерохова- Толщииа Степеиь Максималь-
Методы обработки и способы ,тость по- модиФи- упроч- иые иапри- Назиачеиие
иаиесеиии покрытий ваемый верхиости цироваино- кения, Твердость жения 0'8 обработки
материал Ra, мкм ro споя, мм % МПа
Упрочнение поверхностным пластическим иаклепом
Обработка дробью (стальны- Чуrуны, Ухуд- 0,2...1,0 20... 40 200 ... 750 Повышение
ми шарикамн днаметром 1 ... стали, шается; сопротивления
5 мм) '" сплавы обеспечи- усталости
вает
16... 2,5
,
Совмещенное поверхностное То же Ухуд- 0,05...0,3 10 ... 40 200 ." 500 Повышение
пластическое деформирова- шается; сопротнвления
ние (rидравлическое и пнев- обеспечн- усталости, нз-
матическое деформированне вает НОСОСТОйкости
дробью) ... 2,5 ...0,63
rидровиброударная обра- " Ухуд- 0,05...0,3 10 ... 40 200 ... 500 То же
ботка ... шается;
обеспечи-
вает
2,5 '" 0,63
Ультразвуковое поверхно- " Ухуд- 0,05 ... 0,3 10 ... 40 200 ... 500 "
стное пластическое деформи- шается;
рование (стальными шарп- обеспечи-
камн) '" вает
1,25...0,32 I
I
Центробежная обработка » Ухуд- 0,05 ... 0,3 10 н. 40 200 Н' 500 !I
(шарнкамн илн ролнкамн) <1< шается;
обеспечн-
вает
0,63 ... 0,16
Поверхностное обкатыва- !I Обеспечн- 0,1 ... 0,5 20 ... 50 500 ... 700 !I
нне <1< вает
1,25 ... 0,04
Сrлаживание (алмазное) * :t ОбеС'печн- 0,01 ...0,3 10...60 500 н. 700 :t
вает
1,25 ... 0,04
ф
11
Закалка с HarpeBoM токами
ВЧ <1<<1<
Стали
Поверхностная термическая обработка
Не нзме- 0,2 ... 10,0
няется
HRCs ==
== 40 ... 70
300 ... 800 Повышение
сопротнвлення
усталости, нз-
носостой!юсти
Закалка с HarpeBoM rазовым
пламенем * <1<
HRCs ==
== 40... 70
Стали,
чуrуны
Отжнr для снятня остаточ-
ных напряжений <1<
Сталн, ,
сплавы
...
ф
00
Ухуд- I 0,5... 10,0 I
шается
1300 ... 800 I То же
Термическая обработка
Не нзме-
няется
Не изме-
няется
Повышенне
сопротнвленни
усталостн пр н
высокой
температуре
....
о)
....
Обрабаты Шерохова- Толщииа Степень Максималь-
Методы обработки и способы ТОСТЬ ПО модифи- упроч- иые иапри- Назиачеиие
наиесеиия покрытий Ваемый верхиости цированио пения, Твердость жения с:10 обработки
материал R.a, мкм 1'0 споя, мм % МПа
Продолжение табл. 5.1
Методы нанесения ПОКi>ЫТИЙ
Хнмическне способы:
пиролиз летучих соедине- Стали, Остается 10 1 ... 10-«
ний В протоке * металлы, неизменной
сплавы, Повышение
поротки, сопротивления
керамика коррозни, из
I I I 10 61 I I носостойкости,
транспортные реакцни * То же То же 1O 1 ... жаростойкости
и эмиссион-
ных характе-
водородное восстановле- с » 1 ... 1O 3 ристнк
ние rалоrенидов метал-
лов *
осаждение из растворов и Чуrуны, Обеспечи- 10-1 ... 10 2 Повышение
расплавов ** стали, вает сопротивлення
сплавы, 2,50'00,08 коррозии, из-
металлы иосостойкостИ
Физические способы:
окраска * * Чуrуны, Ухуд- 0,3 ,.. 0,15 Повышение
стали, шается сопротнвления
металлы, коррозии
сплавы,
керамика,
пластмассы
н т. д.
плакироваиие ** Стали, Ухуд- 100 ... 10 1 Повышение
сплавы, шается сопротивления
металлы коррозии, из-
иосостойкости
наплавление * * Чуrуны, То же 100 ... 1O 1 250 ... 650HV 100 ... 500 То же
стали,
сплавы,
,- металлы
(оrрани-
ченно)
rоричее металлопокры-
тие поrружением <1< *
То же
»
I 10... 10 1 I
»
детонационное вапыле- Чуrуны, :t 1 ... 10 1 Повышение
ние * стали, сопротнвления
сплавы, коррозии, из-
металлы, носостой кости,
керамика жаростойкости
и сопротивле-
ния эро:щи
rазопламенное напыле- Стали, » 1()2 ... 10 1 То же
иие * плавы,
металлы,
чуrуны,
керамика
прямое электроино-лу- Сплавы, Остается 10-1 ... 10 r. I :t
чевое испарение в ва- стали, иеизменной
кууме * металлы,
керамика, I
порошки
....
ф
m
Обрабаты- Шерохова- Толщииа Степеиь Максималь- I
Методы обработки и способы тость по- модифи- упроч- иые иапря- Назиачеиие
ианесеиия покрытий ваемый верхности цироваиио- пения, Твердость жения а. I обработки
материал R.a, мкм ro слоя, мм % МПа I
вакуум но- плазменное Стали, Ухуд- 10-1 ... 1O 3 Повышенне
распыление * спл авы, шается сопротивления
металлы, коррозии, из-
керамика носостойкости.
жаростоЙкости
и сопротивле-
ния эрозии
MarHeтpoHHoe распыле. Стали, Остается 10-1 :.. 10-5 То же
ние * сплавы, неизмениой
металлы,
керамика
, 1... 10-2 I
\10-1... 10-з1
I н ;;:: й 110-2 ... 1O 51
i
rазопламениое
иие * *
иапыле-
То же
Ухуд-
шается
электроино-дуrовая ме-
таллизация *
распыление * 1,
То же
»
катодиое
»
Физико-химические способы:
электрохимическое оса-
ждение из растворов и
расплавов:
осромирование *
Металлы,
стали,
Обеспечи-
вает
1 ... 1O 2
Продолженне табл. 5.1
I
I
I
I
I
500 ... 1200НУ I
I
I
I
I
I
I
200 ... 600 1 Повышение
I сопротивления
:t
»
»
i i I I I
i сплавы, 2,5...0,32 I I коррозии, из-
I i
I чуrуны i носостойкости
, I
иикелирование * То же Обеспечи- 10 ... 10-3 550 ... 650НУ То же
вает
2,5 "0 0,32
железнение * » Обеспечи- 10 ... 1О l 120 ... 600НУ Повышение
вает нзносостой-
/" 8 ... 2 кости
борироваиие * Стали, Обеспечи- I ... 10-1 ДО 2200НУ Повышение
металлы, вает сопротивлении
сплавы 4,0 ... 0,5 коррозии и
износостойко-
сти
оксидирование * Алюминий Ухуд- 1О 1 ... 10 3 То же
и ero шаетси
сплавы
плазмохимическое оса- Металлы, Остается 1 ... 10 ' Повышение
ждение в вакууме стали, нензменной жа ростой кости,
сплавы, сопротивлении
керамика, I коррозин, из-
порошкн I носостой кости,
эмиссионныXi
характеристик
i
ф
'""'
ф
00
Продолжение табл. 5.1
Шерохова- Толщииа Степеиь I Максималь-
Методы обработки и способы Обрабаты- тость по модифи упроч- I иые иапри- Назиачеиие
иаиесеиии покрытий Ваемый верхиости цироваиио- нения, Твердость жени я а, обработки
материал R.a, мкм ro СЛОЯ, мм % МПа
Химико-термическая обработка
Ди
!Вер
ффузионное насыщение по- 650 ... 1100НУ I
XHOCTHoro слоя:
азотирование * * Металлы, Остается 1 ... 10 2 400 ... 800 Повышение
стали; неизменной износостой-
чуrуны, кости, сопро-
сплавы тивления кор-
розии, жаро-
стойкости
цементация <1< <1< Малоуrле- То же 1 ... 10-2 HRCs == 400 ... 800 Повышение
родистые == 60 ;.. 70 износостой-
стал и, кости
сплавы,
металлы
цианирование * <1<
Стали
»
1 ... 10-2
НRСэ ==
== 60 ... 75
1400 '" 800 1
То же
борирование * * Стали, » 0,35 ... lO з 225 ... 325НУ Повышение
металлы, износостой-
сплавы кости, сопро-
тивления эро-
зии, корро-
I зии, жаро-
стойкости
силицирование '" '" То же То же 0,2...0,05 100 ... 125HV То же
-
!Кромирование '" '" Стали, Ухуд- 0,2 ... 0,02 100 ... 200HV :t
чуrуны. шается
туrоплав-
кие ме-
таллы,
сплавы
алитироваиие '" '" Стали, То же 0,5 ...0,05 :t
чуrуны,
металлы,
сплавы
титаиировзпие '" '" Стали, » 0,3 ... 0,05 250 ... 400HV »
металлы,
сплавы
Иоино-лучевая обработка
Иоииое леrироваиие (имплан-
тация) '"
Металлы,
сплавы,
керамика,
стали,
порошки
Сохра-
ияется
10-2 ... 10--:5
Повышение
сопротивления
коррозии, эро-
зии, уста-
лости, жаро-
стойкости, из-
носостойкости
....
ф
со
Продолжение табл. 5.1
I I I
Обрабаты- Шерохова- Толщина Степень Макснмаль-
Методы обработки н способа тость по- модифн- упро'l- иые напря- Назначение
иаиесения покрытиА ваемыА верхностн цированно- кения, Твердость I жеиия б, обработкн
материал R,a, мкм 1'0 СЛОЯ, мм J>A, . МПа I
Иовва![ очистка * Металлы, Улуч- Очнстка по-
сплавы, шаетс![ верхности от.
керамика, заrр язнении,
стал и создание Tp
буемоrо
I микрорельефа
улучшение
адrезиониыXi
свойств
Лаэерна![ обработка
Термообработка **
Металлы,
сплавы,
стал и
Ухуд-
шается
1 ... 1O 2
Повышение
СОПРОТНВJlени![
коррозии, ЭРО-
зии, уста-
лости, жаро-
стойкости, из-
носостойкости
Леrироваиие * *
I
То же 1 То же
1 ... 10-1
То же
Точиость обработкн дета.'1И: · сохраияется,
.. .. ухудшается
5.2. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ
ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Упрочнение поверхностноrо слоя является следствием упруrо
пластическоrо деформирования, возникающеrо при механическом
воздействии на металл,
Существует MHoro методов упрочнения поверхностным дефор
мированием, основанных на статическом и динамическом воздей-
ствиях на поверхностный слой, вызывающих в нем пластическую
деформацию. В процессе упрочнения поверхностноrо слоя (без
значительноrо ero разоrрева при механическом воздействии)
обычно не происходят химические превращения, а имеет место
дробление и изменение ориентации блоков и зерен, увеличение
числа дефекто субструктуры.
Поверхностное упрочнение одно из старейших теХНОJюrи-
ческих направлений повышения сопротивления усталости дета,.
лей, нашедшее широкое применение во мноrих отраслях машино
строения. Большие заслуrи в разработке и развитии этоrо направ
ления принадлежат И. В. Кудрявцеву, И. А. Одинrу, С. В. Се-
реисену и друrим ученым.
Выбор' метода упрочнения предопределяется прежде, Bcero
видом материала, формой и размерами детали.
Обработка дробью применяется для упрочнения деталей не-
больших размеров, сложной конфиrурации или с малой жестко
стью (шестерни, пружины, рессоры и др.). rлубина наклепа при
обдувке дробью не превышает 0,8 мм. Дробеструйная обработка
ухудшает исходную шероховатость поверхности детали: Режим
обработки определяется скоростью дроби, расходом ее за еди
ницУ времени и продолжительностью обдува. Дробеструйной
обработке MorYT подверrаться заrотовки из сталей, чуrуна и
сплавов различной твердости.
Совмещенное поверхностное пластическое деформирование (rи-
дравлическое и пневматическое деформирование дробью). Упроч-
нение поверхностноrо слоя rидравлическим и пневматическим
деформированием производят стальными шариками с эмульсией
или трансформаторным маслом на специальных насосных уста нов-
ках(рис.5.1). 2 J
Лопатки, закрепленные \ ' .
замками в переходниках, 1
совершают вращательное ",i;'",; ,
(20 мин l) и возвратно.посту " :;y t.r
нательное (20... 50 мм/мин)
движения относительно со--
пел. Сопла расположены на
дне камеры на расстоянии
200 ... 250 мм от оси враще
иия лопаток. При подаче Р 5 1 С б" Й
ие. .. хема rидродро ec-rРУtl!Ю ус-
воздуха из воздухопровода тановки
111
под давлением 105 Па (в пневмоrидродробеструйных установках)
или смазочно-охлаждающей жидкости (в rидродробеструйных
y TaHOBKax) в соплах создается разрежение; стальные шарики
вместе с маслом или эмульсией засасываются в сопло через
. заборные окна и под давлением подаются на обрабатываемую
заrотовку.
Удары дробинок воспринимаются поверхностным слоем детали
через жидкостную пленку, способствующую более равномерному
распределению ударной наrрузки на поверхность, чем при об-
работке сухими шариками. Одновременно жидкость ОI{азывает
охлаждающее действие, снижая температуру поверхностноrо слоя
обрабатываемой заrотовки, которая при упрочнении сухими ша-
риками достиrает 600 ос.
В rидродробеструйной установке (см. рис. 5.1) камера 2,
в которой находятся обрабатываемые лопатки 3, разделена на
две п'олости сеткой, пропускающей из верхней полости в нижнюю'
полость жидкость и изношенные стальные шарики, свободно сли-
ваемые через окно в бак 5. Отфильтрованная от изношенных ша-
риков жидкость насосом 1 подается к соплам 4.
Расход шариков через каждое сопло равен 24 кr/мин, а масла
40 л/мин при давлении 2.103 Па. Давление и время обработки уста-
навливают в зависимости от материала и размера детали. Время
обработки лопаток в зависимости от их размеров 8 ... 22 мин.
В rидродробеструйных установках обрабатывается одновре-
менно по 5 ... 30 шт. малоrабаритных лопаток (каждую лопатку
тремя шестью соплами) за 15... 30 мин. Крупноrабаритные
лопатки упрочняют по 1 шт. С помощью 15 сопел за 40 .., 45 мин.
После rидравлическоrо поверхностноrо деформирования
кромки пера лопатки вследствие наличия мелких местных по-
вреждений необходимо зачищать вручную.
ПJероховатость поверхности пера лопатки перед пневмодробе-
струйным упрочнением соответствует Ra == 0,63 ... 0,32 мкм;
после обработки стальной литой дробью диаметром 0,5 ... 1,0 мм
(диаметр дроби должен быть d (1,2 ... 1,6) 'mtn, rде 'mtn
минимальный радиус rалтели, подверrаемой обработке) поверх-
ность лопатки ухудшается до Ra == 2,5 ... 0,65 мкм, поэтому
перо лопатки вновь полируют на полировальных бабках войлоч-
ным KpyroM с нанесенной на Hero абразивной пастой (микро-
порошок М40) или шлифовальной шкуркой на виброполироваль-
ных станках, что обеспечивает параметр шероховатости пера ло-
патки Ra == 0,63 ... 0,32 мкм.
Для упрочнения дисков компрессора применяют восьмисоп-
ловые установки. Деформационному упрочнению этим методом
подверrаются цапфы, шестерни, валы, трубопроводы и др.
Пневмодробеструйным упрочнением обрабатывают также
крупноrабаритные заrотовки со сварными швами и заrотовки,
шероховатость поверхности которых должна быть не выше Ra ==
== 2,5 ... 1,5 мкм. .
172
4
A A
9
Рис. 5,2. Кинематическая схема установки для rидроrалтовки лопаток
rидравлическая rалтовка. Деформационное упрочнение rи-
дравлической rалтовкой основано на механическом воздействии
рабочей смеси (стальная дробь диаметром 0,6 ... 0,8 мм и масло)
на упрочняемую поверхность при их соударении.
Наличие масляной пленки создает условия для rидра:вличе-
CKoro удара и жидкостноrо трения дроби о поверхность заrо-
товки и блаrоприятствует пластическому деформированию тон-
Koro поверхностноrо слоя при сохранении низкоrо параметра
шероховатости обработанной поверхности.
Существует несколько модификаций rидроrалтовочных уста-
новок (УrЛ-1, УrЛ-2, Уrл-з, rрп-зоо), позволяющих одновре-
менно обрабатывать 12 ...24 лопатки компрессора длиной 300 мм
и более. Кинематическая схема полуавтоматической установки
приведена на рис. 5.2.
Установка рассчитана на одновременную обработку 20 лопа-
ток, снабжена тремя индивидуальными приводами для вращения
диска с лопатками BOKpyr своей оси (установки) и оси лопатки
роторным колесом, смесителем рабочей смеси и центробежным
насосом. Электродвиrатель 4 через систему зубчатых колес,
связанную с неподвижной шестерней 3, сообщает вращение
диску 5 с лопатками 7. На диске смонтированы два редуктора
с шестернями б. На осях шестерен при помощи кассетных приспо-
соблений закреплены упрочняемы лопатки, вращающиеся BOKpyr
173
9
1З
to
14-
15'
7 б
5' 437 2
1
Рис. 5.Э. Схема установки с инерционным приводом для ви6роrалтовки лопаток
своеЙ оси. Струя рабочей смеси подается вверх осевым насосом 8,
приводимым в движение электродвиrателем 9, и, попадая на отра-
жаiеJIЬ 2 дробеметноrо колеса 1, разлетается веером в направле-
нии вращающихся лопаток.
В бункер .установки засыпают 40 ... 50 Kr дроби
(fOCT 11964 81E) диаметром 0,6 '" 1,2 мм и заливают 120...
160 л рабочей смеси.
Оптимальный режим упрочнения rидроrалтовкой устанавли-
вают экспериментально. ОН зависит от мноrих факторов: материала
заrотоВIШ и температуры ее HarpeBa при эксплуатации, размеров
и формы заrотовки и др. Например, лопатки ротора компрессора
из титановоrо сплава ВТ3-1 обрабатывают по следующему ре-
жиму: частота вращения ротора (дробеструйноrо колеса)
450 мин l, продолжительность обработки 30 мин. Шероховатость
обработанной поверхности соответствует Ra == 0,63 ... 0,16 мкм,
степень наклепа 120 %.
Вибрационная rалтовка. Вибрационная rалтовка осущест-
вляется на инерционных дисбалансных установках. Рабочая
камера установки совершает колебательные движения в трех или
двух плоскостях, а приспособление с закрепленными в нем ло-
патками вращается. При работе вибратора приспособлению с Ло-
патками и рабочей средой (наполнителем) сообщаются колеба-
тельные движения с заданными частотой и амплитудой. Непре-
рывно перемещающиеся стальные шарики, ударяясь о поверх-
ность Jюпаток, сrлаживают, неровности и пластически деформи-
руют поверхностный слой.
Виброrалтовочная установка с инерционным приводом
(рис. 5.3) состоит из контейнера 12, ротора с лопатками 13, вибра-
Тора с приводом, рамы 11 с закрепленными на ней подвижными
частями, которая в процессе работы опирается на пневматические
баллоны 10, основания 4 с резщювыми амортизаторами 8. В со-
стоянии покоя рама 11 контейнера 12 опирается на стойки 9.
114
Вибрационные колебания контейнера осуществляются полым
валом б с дисбалансовыми rрузами 5. Вращение валу передается
от электродвиrателя 1 через две эластичные муфты 7 и валик 3.
Торможение вала при остановках ПРОИ'зводится элеКТРОМal'НИТ-
ным !<олодочным тормозом 2. Подача воздуха осущеСТВJlяется
через фИJIЬТР 14 и редуктор давления 15. Контейнер имеет короб..
чатую форму с цилиндрическим дном. В ero верхней и нижней
частях приварены коллекторы для подвода и отвода промывочно-
охлаждающей жидкости.
Работает установка следующим образом. В контейнер заJIИ-
вают рабочую жидкость, устанавливают ротор с лопатками и за-
сыпают стальные шарики. Контейнер закрывают крышкой и
включают насос, прокачивающий жидкость. В пневмоба.л.lЮИЫ
подают воздух под давлением (2 '" 3) .105 Па, поднимающий кон-
тейнер на заданную высоту, обеспечивающую включение привода
вибратора. Очистка контейнера от стальных шариков осуществ-
ляется пневмоотсосом.
Режим виброrалтовки устанавливается экспериментально. Так,
для обработки лопаток из стали 13Х12Н2ВМФ применяют сле.
дующий режим: амплитуды колебаний вертикальная 2,9...
3,6 мм, боковая 1,0... 1,1 мм; осевая 0,1 ... 0,15мм; частота коле-
баний 24 rц. Шероховатость поверхности пера lюпатки после
упрочнения Ra == 0,32 ... 0,16 мкм.
Виброrалтовкой обрабатывают также сепараторы подшип-
ников, диски компрессора, высоконаrруженные шестерни, шлицы
валов компрессора и др.
Vльтраэвуковое поверхиостное пластическое деформирование.
Установка для упрочнения ультразвуковым деформированием
лопаток rT Д (рис. 5.4) и друrих деталей состоит из reHepaTopa
ультразвуковых колебаний, маrнитострикционноrо преобразо-
вателя 1 электрических колебаний в механические и преобразова-
теJIЯ 2 (концентратора) с рабочей камерой для размещения упроч..
няемых заrотовок 4 и рабочеrо тела 3 (шариков), при помощи ко-
торых энерrия механических колебаний ультразвуковой частоты
передается шарикам.
Упрочняемые детали закрепляются в зажимах, установленных
на верхнеЙ крышке 5 рабочей камеры. В качестве reHepaTopa
ультразвуковых колебаний обычно используют reHepaTopbl
Уэr-2-10 (мощность до 10 кВт, частота 18 ... 20 кrц). Деформа-
ционное упрочнение окончательно обработанных лопаток осу-
ществляется стальными шариками диаметром 1 ... 3 мм, смачи-
ваемыми эмульсией. Заданная степень деформационноrо упроч-
нения поверхностноrо слоя детали обеспечивается выбором ре-
жима обработки (расстояние детали от вибрирующих стенок ка'-
меры, продо.цжительность обработки, диаметр стальных шари-
ков).
Шероховатость поверхности после упрочнения ухудшается
по сравнению с исходной.
175
0'0
о о
о о
9
о
Тl!tlП
{
i
'l1 /. 11
Рис. 5.4. Установка для ультразвуко-
Boro деформационноrо упрочнения:
1 маrннтострикционныl! преобразова-
тель: 2 преобразователь колебаний
(концентратор); 3 рабочее тело (ша-
рики); 4 лопатка; 5 ПрОЗр8ЧИ8Я
крышка
BoiJl1
Рис. 5.5, Схема мноrокомпозиционцоi!
дробеметной установки для упрочне-
ния деталей микрошариками
Поверхностное деформирование микрошариками. Основное пре-
имущество данноrо метода возможность деформационноrо уп-
,рочнения маложестких деталей сложной rеометрической формы,
деталей с тонкими кромками, малыми радиусами переходных
поверхностей, rалтелями. При этом достиrается шероховатость
поверхности Ra == 0,63 .., 0,16 мкм и деформационное упроч-
нение тонких поверхностных слоев. В поверхностном слое лопа-
ток наводятся сжимающие остаточные макронапряжения, имею-
щие максимальное значение у поверхности.
Схема мноrопозиционной установки для упрочнения микро-
шариками резьбовых деталей, пазов елочных хвостовиков лопа-
ток турбин, пера лопаток компрессора и друrих заrотовок, пока-
за на на рис. 5.5. Преимуществом установки является широ-
кая возможность реrулирования скоростей полета микроша-
риков.
Поверхностное обкатывание роликами и шариками. Обкатыва-
нием роликами и шариками обычно упрочняют наружные и вну-
тренние цилиндрические поверхности (валы, бо.7IТЫ), реже
плоские и фасонные поверхности (шестерни, шлицы, резьбы, пазы
в елочных замках лопаток турбины и др.). При .обкатывании роли-
ками основными параметрами режима упрочнения являются дав-
ление на ролик, число ходов ролика, ero форма и размеры, по-
дача и скорость обкатывания. rлавный из них давление на
ролик, так как этот параметр определяет rлубину деформиро-
BaHHoro слоя.
Упрочнение поверхностноro слоя деталей роликами и шари-
ками, сопровождающееся улучшением параметра шероховатости
176
r:'оверхности, повышает сопротивление усталости и износу, Ha
дежность посадок и контактную жесткость.
Влияние упрочнения поверхностнот'о слоя обкатыванием роли-
ками на сопротивление усталости зависит от rлубины и степени
наклепа, субструктуры и дефектов кристаллической решетки,
а также от напряженности поверхностноrо слоя детали. Пр ева-
лирующее действие Toro или иноrо параметра физико-химиче-
cKoro состояния поверхностноrо слоя на сопротивление усталqсти
зависит от условий эксплуатации, материала детали и др.
Обкатывание роликами широко используют для деформацион-
Horo упрочнения пазов елочноrо хвостовика лопаток турбин.
Обычно упрочняют или два первых паза (считая от пера) как наи-
более' наrруженные, или все пазы.
Различают динамическое и статическое упрочнение обкаты-
ванием роликами пазов лопаток.
Динамическое упрочнение можно производить на модернизи-
рованном плоскошлифовальном станке. Инструмент для упроч-
нения диск диаметром 250 мм, в котором по окружности рас-
ПОJIOжены три ряда роликов, свободно сидящих на осях (мате-
риал сталь ШХ15, твердость НRСэ 60 ... 62), В приспособле-
нии, установленном на столе станка, закреплены две JIOпатки,
одна из которых обрабатывается со стороны спинки, друrая
со стороны корыта. Одним инструментом обрабатывается ОДНо-
временно три паза.
ПОСJlе закрепления лопатки в приспособлении инструмент
устанавливают относительно пазов по rлубине. Установку ро-
лика во впадине и натяr осуществляют по эталону. Упрочнение
пазов производится при следующем режиме: скорость обкатыва-
ния 25 м/с, скорость продольноrо хода стола 12 м/мин, число двой-
ных ходов 7, натяr ролика 0,15 ... 0,2 мм. Впадины пазов и ро-
лики смазывают веретенным маслом .NЪ 2,
Одним инструментом без замены роликов можно обработать
до 1000 лопаток. Стабильность процесса упрочнения контроли-
руется измерением rлубины наклепа на образцах, вырезанных
из деталеЙ-свидетелей, и определением остаточных макронапря-
жений. ПОСJlе упрочнения проверяют rеометрические размеры
елочных пазов и методом цветной дефектоскопии контролируют
наличие трещин. -
Статическое упрочнение пазов елочноrо хвостовика лопаток
ПРОИЗБОДЯТ на полуавтоматической установке обкатыванием сталь-
HblMfj: закаленными роликами (одна .шесть пар), установленными
на штоках rидроцилиндров. Ролики смещены относительно друr
друrа на шаr зубьев хвостовика. Сила обкатывания бесступен-
чато реrулируется до 125.102 Н. Силу обкатыIанияя для первоrо
паза устанавливают экспериментально, а для каждоrо последую"
щеI'О паза уменьшают в 2 раза, так как радиус дна предыдущеrо
паза в 2 раза больше каждоrо послеДующеrо. Для безударноrо
входа упрочняющих РОJ1ИКОВ В паз елочноrо хвостовика на 110JI-
1 СУЛlIма А. М. и АР.
111
зунах установлены направляющие, профиль которых соответствует
профилю хвостовика упрочняемой лопатки. Скорость перемеще
ния лопаток относительно роликов 1.5 ... 2,0 м/мин. Эксперимен-
тально установлено, что диаметр ролика должен быть равен
радиусу дна елочноrо паза. Сила обкатывания не должна пр евы-
шать 75.102 Н, обкатывание следует производить за 2 дв. хода.
Основные недостатки динамическоrо упрочнения значитель-
ная трудоемкость и шум, возникающий при обкатывании пазов
роликами. Упрочнение статическим обкатыванием роликами имеет
преимущества: процесс леrко реrулируется, позволяет изменять
режимы обкатывания, получать требуемую rлубину и степень
наклепа, имеет большую производительность, улучшает шерохо-
ватость упрочняемой поверхности, бесшумен.
СrJJaживание (алмазное) поверхностей деталей. Алмазное сrла-
живание это отделочно-упрочняющая обработка поверхностей
деталей, обеспечивающая одновременно низкий параметр шерохо.
ватости и деформационное упрочнение поверхностноrо слоя.
Физическая сущность э'тоrо метода заключается в пластиче-
ском деформировании (выrлаживании) поверХНОСТНОl'О слоя де-
тали сферическим алмазным наконечником. Алмазное сrлажива
ние осуществляется с высокими скоростями вращения заrотовки
и подачи, обеспечивающими непрерывность механическоrо воз-
действия и взаимное перекрывание следов движения алмазноrо
наконечника.
Алмазным сrлаживанием обрабатывают поверхности тел вра-
щения и плоские поверхности заrотовок из различных конструк-
ционных материалов, а также детали с металлическими покры-
тиями (хромированные, никелированные и т. п.). Эту операцию
выполняют на обычных токарных и шлифовальных станках.
Эффективность алмазноrо сrлаживания, в первую очередь, обус-
ловливается уникальными свойствами алмазов, наиболее полно
реализуемыми: высокой твердостью и износостойкостью, высокой
теплопроводностью и малым коэффициентом трения по ме-
та.7IЛУ.
Алмазное сrлаживание существенно снижает шероховатость
обрабатываемой поверхности, обеспечивая ее Ra == О,63 ...
0,04 мкм.
Деформационное упрочнение для различных материалов со-
ставляет по rлубине поверхностноrо слоя до 0,3 мм и по степени
наклепа: 8 ... 14 % для алюминиевых сплавов, 10 0'0 20 % для
закаленных сталей и более 30 % для коррозионно-стойких
сталей; остаточные макронапряжения сжимающие.
Инструментом для сrлаживания служит алмазный наконеч-
НИI{, закрепленный в упруrой (пр ужинной) державке.
Скорость сrлаживания не оказывает существенноrо влияния
на состояние поверхностноrо слоя и может варьироваться 30 ...
100 м/мин. Сrлаживание рекомендуется производить с примене-
нием СОЖ. лучшая из которых индустриальное масло 20.
118
Алмазным сrлаживанием обрабатывают валы компрессора и
. турбины, торцы raeK, переходники, втулки и друrие детали.
Алмазным сrлаживанием также обрабатывают заrотовки, име
ющие различные металлические покрытия для улучшения каче
ства их поверхности и обеспечения заданных эксплуатационных
свойств поверхностноrо слоя (повышение твердости и наведение
сжимающих макронапряжений).
Оптимальные режимы для алмазноrо сrлаживания некоторых
металлических покрытий (XpoMoBoro, никелевоrо, никель-фос-
форноrо, серебряноrо) следующие: сила сrлаживания Ру ==
== 100 ... 200 Н, подача 0,05... 0,08 мм/об, радиус алмаза 2...5 мм.
5.3. ПОВЕРХНОСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ
И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Поверхностная термическая обработка (ПТО) широко исполь-
зуется в машиностроении, являясь эффективным методом повы-
шения износостойкости и сопротивления усталости. металлов.
В основном, ПТО применяют для обработки уrлеродистых и
леrированных сталей, которым свойственно мартенситное превра-
щение при охлаждении. ПТО заключается в HarpeBe поверх-
HOCTHoro слоя до температур выше критической точки и после-
дующем резком охлаждении, в результате чеrо происходит за-
калка. ПТО может быть использована и для обработки друrих
материалов, которые испытывают фазовые превращения в твер-
дом состоянии.
По способу HarpeBa различают две rруппы методов ПТО.
К первой rруппе методов, основанных на насреве от внутреннесо
источника теплоты, расположенноrо в поверхностном слое, от-
носятся ПТО с HarpeBoM ТВЧ, электронно-лучевая и лазерная
обработки (ЭЛ О и ЛО). Ко второй rруппе относятся методы,
основанные на HarpeBe от внешних источников теплоты (кисло
родно ацетиленовой rорелки, жидкой металлической ванны и
др.). Первой rруппе методов свойственны высокая скорость
наl'рева, что в ряде случаев позволяет проводить ПТО на воздухе,
а также очень большие скорости охлаждения (закалки). Послед-
нее дает возможность получить в поверхностном слое метастабиль-
ное структурное состояние (например, мелкоиrольчатый мартен-
u I
сит), обеспечивающее высокую твердость, износостоикость и
т. п. Кроме Toro, изменением параметров ТВЧ, электронноrо и
лазерноrо пучков можно широко менять режимы ПТО.
Большое внимание уделяется развитию корпускулярно-фо-
тонной технолоrии, составными частями которой являются ЭЛО
и ЛО.
Технолоrическая установка для ЭЛО содержит следующие
функциональные узлы: сенератор электронов (электронная пушка),
система формирования электронноrо пучка, устройство контроля
параметров пучка, рабочая камера, в которую помещают обра
батываемую заrотовку. Взаимо ействие электронноrо пучка с по-
ln
верхностным слоем детали сопровождается интенсивным тепло-
выделением. Причем HarpeB поверхностноrо слоя определяется
параметрами электронноrо пучка (тока луча, энерrии элек'Vро-
нов), временем воздействия, а также теплофизическими характе-
ристиками материала детали. I
Для термической обработки без оплавления обычно исполь-
зуют пучки с поверхностной плотностью мощности q..;,;:
..;,;: 104 Вт/см2. В зависимости от параметров электронноrо пучка
можно леrко менять положение зоны наиболее интенсивноrо
теПJIOвыделения относительно поверхности (обычно в пределах
1 0 1 ... 102 мкм). Р аспр остр анение теплоты от зоны тепловыделе-
ния идет в результате теплопроводности. Поэтому для материалов
с низкой теплопроводностью температура на поверхности может
быть заметно ниже, чем в зоне наиболее интенсивноrо энерrо-
выделения. Таким образом, ЭЛО позволяет варьировать распре-
делением температуры по rлубине поверхностноrо слоя в очень
широком интервале, Эл'ектронно-лучевые установки имеJQТ БОJIее
высокий кпд по сравнению с лазерными.
ЭЛО позволяет получить в поверхностном слое уrлеродистых
и быстрорежущих сталей структур но-фазовое состояние, обеспе-
чивающее высокую твердость и повышенную износостойкость.
rлубина упрочненноrо слоя составляет несколько десятков микро-
метров. Особенностью СФС поверхностноrо слоя металла после
ЭЛО (по сравнению с СФС после ЛО) является наличие радиа-
ционных дефектов [39, 42].
Термомеханическая обработка (ТМО) включает совмещенные
в одном технолоrическом цикле операции термообработки и пла-
стическоrо деформирования СПJIавов, испытывающих фазовые
превращения. ТМО позволяет сформировать особое СФС металла,
характеризующееся наличием полунепроницаемых дислокацион-
ных барьеров. Эти барьеры, с одной стороны, являются доста-
точно эффективными препятствиями для дислокаций, с друrоЙ -- -
при высоких напряжениях дают возможность дислокациям «прор-
ваться» сквозь них в соседние объемы, что ведет к релаксации на-
пряжений без образования субмикротрещин. Такое структурное
состояние характеризуется достаточно высокой прочностью и
большой пластичностью. Оно реализуется при наличии в металле
равноасных, дисперсных субзерен, отделенных ДРУI' от друrа
rраницами с пониженной плотностью дислокаций. Эти rраницы
и являются полунепроницаемыми ДИСJIOкационными барьерами.
Особенности ТМО сталей и друrих материалов приведены в ра-
боте [ 11 ] ,
При поверхностной ТМО пластическая деформация осуществ-
ляется обкатыванием роликами, обработкоЙ дробью, виброудар-
ной обработкой и друrими методами ППД. Применение поверх-
ностной ТМО позволяет повысить эксплуатационные свойства
деталей (сопротивление усталости, в том числе при фреттинrе,
износостойкость и др.).
180
Б.4. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
Один из наиболее эффективных технолоrических методов по
вышения ресурса и надежности работы деталей, исп?льзуемых
Б машиностроении, нанесение на поверхность заrотовок раз-
личных покрытий. Покрытием будем называть' поверхностный
слой детали, целенаправленно создаваемый воздействием окру-
жающей среды на поверхность материала подложки (заrотовки),
и характеризующийся конечной толщиной, а также химическим
составом и структур но-фазовым состоянием, качественно отличаю-
щимися , от аналоrичных свойств матрицы.
По [ОСТ 9.306 85 металлические и неорrанические неметал-
лические покрытия делят (по методу получения) на следующие
способы: катодное восстановление; анодное окисление (Ан); хи-
мический (Хим); rорячий (fop); диффузионный; термическое на-
пыление; вакуумный (Кон); контактный; контактно-механический;
катодное распыление (Кр); ВЖИfание (Вж); эмалирование (Эм);
Шiакирование (Пк).
Такая классификация не свободна от недостатков хотя бы по
тоЙ причине, что мноrие используемые в промышленных и лабо-
раторных масштабах способы не включены в общий перечень
(например, пиролиз, электронно-лучевое испарение в вакууме,
MarHeTpOHHoe распыление, химические транспортные реакции
и т. д.).
Покрытия различают по методам и способам получения. Можно
выделит!. три основных метода получения покрытий: физический,
химический и физико-химический (см. табл. 5.1).
5.5. подrОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЬПИЙ '
Работоспособность деталей с покрытиями в значительной сте-
пени зависит от состояния их повеРХНОСТНОfО слоя перед нане..
сением покрытия, поэтому следует рассмотреть влияние основ..
ных параметров поверхностноrо слоя детали на качество нано-
симых покрытий и технолоrию подrотовки поверхности под по-
Iкр:bIтие.
Химическая чистота поверхности детали одно из основных
УСJ!ОВИЙ BbIcoKoro качества наносимоrо покрытия, 3аrрязненность
поверхности детали затрудняет взаимодействие покрытия с ма-
териалом подложки, способствует возникновению несплошно-
стей в покрытии и областей с высокими локальными напряжениями.
Все это снижает прочность сцепления покрытия с подложкой и,
как следствие, приводит к отслаиванию и растрескиванию покры-
тия (в процессе ет'о нанесения).
Отметим, что практически все способы обработки металла ве-
дут к заrрязненности ero поверхностноrо слоя. 3аrрязнения на
поверхности MorYT состоять из оксидов, образующихся при тер-
18]
мической и механической обработке, а также в результате KOp
розии на воздухе; щелрчных соединений и солей, остающихся после
обезжиривания и химическоrо травления; мноrочисленных ор-
rанических соединений, являющихся остатками саж, полиро-
вальных паст, орrанических растворителей.
На качество покрытий оказывает существенное влияние топо-
rрафия поверхности детали. Обычно на ее поверхности перед
нанесением покрытия не допускается наличие rрубых дефектов
рельефа: раковин, царапин, забоин. В то же время повышение
шероховатости химически чистой поверхности детали во мноrих
случаях (при нанесении покрытий rазотермическим и вакуумно-
плазменным способами, поrружением в расплав, эмалирование
и др,) способствует лучшему сцеплению покрытия с подложкой.
Например, прочность сцепления на срез между алюминием,
нанесенным методом электродуrовой металлизации, и стальной
подложкой увеличивается при более высокой шероховатости [79 J.
ЭТО обусловлено увеличением площади реальной поверхности
детали и, следовательно, интенсификацией взаимодействия между
покрытием и подложкой. Считается также [107], что между микро-
выступами шероховатой поверхности может происходить эффект-
ное заклинивание зародышей растущеrо покрытия. Рост шеро-
ховатости при плазменном напылении улучшает теплофизические
условия для протекания взаимодействия между покрытием и
подложкой [36 J.
В то же время с повышением шероховатости увеличивается
количество адсорбированных на поверхности примесных атомов.
Химическая очистка шероховатой поверхности затруднена по
сравнению с очисткой rладкой поверхности. В ряде случаев,
например при нанесении покрытий методом электронно-лучевоrо
испарения и конденсации, а также при rальваническом хромиро
вани и рост шероховатости способствует появлению несплошно-
стей в rюкрытии [21, 65 J. Однако не исключено, что это моrло
быть обусловлено повышенной заrрязненностью шероховатой
поверхности.
Следует также отметить, что от исходной шероховатости по-
верхности заrотовки зависит шероховатость поверхности rотовой
детали. Влияние подrотdвки поверхности стали 45Х на качествq
деталей исследовали после низкотемпературной нитроцемента-
цИИ (НТНЦ). При точении, шлифовании и механическом полиро-
вании поверхности параметр шероховатости Ra соответственно
составлял 3,4; 0,39 и 0,31 мкм, после НТНЦ 4,2; 0,52 и
0,44 мкм [19 J. При вакуумно-плазменном напылении покрытия
Ni Cr А! У на образцы из сплава ЖС6У, подверrнутые
виброабразивной обработке, значение параметра Ra увели-
чивается от 0,2 до 1,2 мкм. При rальваническом хромировании
параметр Ra увеличивается в 1,5...2 раза [ 1 J.
Можно предположить, что для каждой системы заrотовка
rюкрытие существует неКQторая оптимальная шероховатость, эна-
182
чение которой зависит от условий работы детали, Физико-химиче
cKoro состояния материала детали и покрытия, метода нанесе.
ния покрытия и друrих факторов.
Остаточные напряжения (макронапряжения и напряжения
от дефектов решетки) в поверхностном слое детали интенсифици-
руют взаимодействие между материалами покрытия и подложки.
Это обусловлено активацией поверхности, облеrчающей образо-
вание зародышей покрытия, и повышением диффузионной под-
вижности элементов в сплавах при наличии в них дефектов ре-
шетки. Если температура поверхностноrо слоя детали при нане-
сении покрытия и дальнейшей эксплуатации невеюша, то наклеп
и остаточные макронапряжения существенно влияют на ее работо-
способность. Например, долrовечность при повторных цикличе-
ских наrрузках с О"а == 1000 МПа образцов из стали зохrСА
после шлифования и rальваническоrо хромирования состав-
ляет 7\.103 циклов, шлифования с последующей пескоструйной
обработкой и хромирования 5,104 циклов, шлифования с по-
следующим алмазным выrлаживанием и хромирования - 5,5х
х 104 циклов [21]. Рост сопротивления усталости в этом случае
обусловлен упрочнением поверхностноrо слоя подложки при
ППД, что препятствует распространению трещин, образую-
щихся в хромовом покрытии, В основной металл.
Однако неоднородность ра;::пределения остаточных напряже-
ний по поверхности детали способствует неравномерному рас-
пределению зародышей покрытия и, как следствие, повышенной
пористости, Влияние остаточных напряжений на качество покры-
тия уменьшается с ростом температуры и длительности процесса
нанесения покрытия. Так,' например, не обнаружено различий
в толщине диффузионной зоны и характеристиках ее СФС дЛЯ
образцов из стали 45Х после точения, шлифования и ППД обка-
тыванием с последующей нитроцементацией при 570 ос [19 J.
Методы подrотовки поверхности под покрытие можно условно
разделить на механические, химические, электрохимические и
физические.
К механическим методам относятся, например, шлифование
и полирование, rалтовка и виброабразивная обработка. В ряде
случаев эта обработка с использованием жидких химических
активаторов, по существу, является химика-механической. Так,
струйно-абразивная обработка является эффективным методом
подrотовки поверхностноrо слоя заrотовок для покрытий, не
.требующих предварительноrо полирования поверхности. Струйно-
абразивная обработка бывает пескоструйная, абразивно-жидко-
стная и др. При такой обработке в качестве абразивноrо материала
большое распространение получили стеклянные шарики, которые
хорошо очищают поверхность от оксидных пленок, Harapa и мало
заrрязняют поверхность обрабатываемой заrотовки. В процессе
абразивно-жидкостной обработки дeTa ь промывают водной сус-
пензией, содержащей абразивные частицы. В ряде случаев в эту
183
суспензию вводят химические активаторы [21]. Наряду с очист-
кой поверхности механические методы изменяют ее топоrрафию,
наклеп и остаточные макронапряжения.
Химическая обработка ВКJ1ючает обезжиривание, травление
и полирование. Химический способ удаления жиров основан на
взаимодеЙствии с ними орrанических растворителей (тетрахлор.,
этилена, четыреххлористоrо уrлерода, бензина, керосина и др.).
Обезжиривание проводят поrружением заrотовок в жидкий рас-
творитель, в паровой фазе, а также используют струйную обра-
ботку. Очень эффективна ультразвуковая очистка, удаляющая
заrрязнения из самых труднодоступных участков поверхности,
После обезжиривания обычно проводят травление детали, а в тех
случаях, KorAa требуется низкая шер6ховатость поверхности,
полирование.
Для подrотовки поверхности используют также электрохими-
ческую обработку [25, 79]. При этой обработке процесс очистки
протекает очень интенсивно за счет обильно выделяющеr'ося на
поверхности детали rаза и электрохимическоrо растворения окис-
лов и металлов.
Промывка деталей в воде позволяет удалить с поверхности
детали остатки жидких химических реактивов и продукты преды-
дущей очистки. ПОСJ1е промывки производят сушку детаJ1ей при,
невысоких температурах.
Физические методы подrотовки поверхности включают воздей-
ствие на нее высокоэнерrетических частиц (ионов, ЭJ1ектронов,
фотонов), а также тепловое воздействие (например, вакуумный
отжИr, при котором выrорают жидкие орrанические заrрязне-
ния, происходит деrазация метадда).
Мы рассмотрим J1ИШЬ метод ионной очистки (ИО), широко ис-
пользуемый для очистки поверхности деталей ЭJ1ектронной тех-
ники. Этот метод состоит в распылении материала с поверхности
твердоrо тела в реЗУJ1ьтате бомбардировки ее ионами [65, 77].
Эффективность распьтения хар актеризуется коэффициен-
том Sp, равным отношению ЧИСJ1а распыленных атомов к ЧИСJ1У
падающих на поверхность ионов. Скорость распьтения, т. е.
число частиц, распыленных за 1 с,
ир == ДSрJ/j,
(5.1)
rде Д == 6,15.1012j .доза облучения, ион/см2; j ПJ10ТНОСТЬ
ионноrо тока, мкА/см2; Sp коэффициент распыления, атом/ион;
J сила ионноrо тока, мкА.
Толщину распыленноrо слоя можно оценить из выражения
hp === SрД/Sа,
(5.2)
rAe Ра р/ Ата атомная ПJ10ТНОСТЬ, ат/см3; Р плотность ма-
териала мишени, r/cM3; А атомная масса материаJ1а мишени;
та == 1,66.1 O 24 атомная единица массы, r.
184
,Физическое распыление ПРОИСХОДИТ в результате передачи
атомам мишени кинетической энерrии первичных ионов. Чтобы
атом покинул поверхностный слой, ero энерrия должна быть
больше энерrии связи с твердым телом. Поэтому распыление наб-
людается, если энерrия первичных ионов Е больше критическоrо
значения Еэ, Значение Еэ обычно имеет величину ПОрЯДКа 101 эВ.
При Е > Еэ значение Sp быстро увеличивается С ростом Е, за-
тем скорость увеличения Sp снижается, величина Sp достиrает
максимума и, наконец, снижается. При Е ,..." 1 кэВ, коrда ионная
имплантация практически отсутствует, величина Sp обычно имеет
значение порядка 10 1... 101 атом/ион. Значеffие Sp зависит
от уrла падения ионов 8, отсчитываемоrо от нормали к поверх-
ности мишени, С ростом 8 до критическоrо значения 8нр, paBHoro
нескольким десяткам [радусов, Sp увеличивается (Sp""" 1/со.') 8),
затем снижается.
Эффективность ионной очистки зависит от давления остаточ-
Horo rаза р в камере, в которой ведется очистка. В простей..
шем приближении она увеличивается с ростом параметра
(Sp.j -,/Т)/р, [де Т абсолютная температура металла.
При ионной очистке обычно снижается шероховатость поверх-
ности, происходит ее активация, повышается температура. Это
облеrчает зародышеобразование на начальном этапе формирова-
ния покрытия. Кроме Toro, ионная бомбардировка способствует
ускорению диффузионных процессов в поверхностном слое под-
ложки, в результате чеrо увеличивается протяженность переход-
ной зоны между покрытием и подложкой, что обеспечивает хо-
рошее сцепление между ними. Таким образом, ионная очистка
является эффективным методом подrотовки поверхности детали
непосредственно перед нанесением покрытия.
5.6. ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ покрыrий
Пиролиз ,летучих соединений в протоке. Сущность способа
состоит в том, что в реакционный объем непрерывно подается
смесь rаза-носителя и летучих соединений осаждаемоrо металла
(сплава), которые, достиrая предварительно наrретой зоны раз-
ложения, разлаrаются на поверхности подложки с образованием
твердой фазы и продуктов реакции, выводимых из системы.
Процесс осаждения реализуется как в вакууме, так и при ат-
мосферном давлении. HarpeB подложки осуществляется прямым
пропусканием электрическоrо тока или с помощью специальноrо
наrреватеJIЯ. Установки, предназначенные для нанесения покры-
тий термическим разложением карбонилов или rалоrенидов, со-
держат следующие основные узлы: реактор; испаритель или суб-
лиматор; систему очистки rазов; конденсатор; наrреватель об-
разr.:(а"подложки; измерительные устройства. Для получения
мноrокомпонентных покрытий необходимо использовать несколько
испарителей-сублиматоров, в которые заrружаются карбонилы
или rаЛОI-ениды металлов.
HI5
Микротвердость пиролитических покрытий близка к COOTBeT
ствующим значениям для электролитических осадков, дости-
rая 200 ,,, 250 HV для Мо и 400 .., 450 HV дЛЯ W. Прочность
сцепления покрытий с подложкой определяется, с одной стороны,
термическими напряжениями, возникающими в зоне контакта
вследствие различия в коэффициентах термическоrо расширения
используемых материалов, а с друrой способом подrотовки
поверхности заrотовки под покрытие. В любом случае для обес-
печения высокопрочноrо сцепления покрытия с подложкой не..
обходимо проводить длительный диффузионный отжиr заrотовки
при рабочих температурах. Плотность карбонильных осадков,
полученных при температурах 400 ... 800 ОС, знаЧительно меньше
теоретической (РМО == (8,6 .., 9,5) .103 кr/M3 при Т == 500 ОС), Од-
нако при температуре подложки выше 1000 ос формируются по-
крытия С высокой плотностью (Рмо == 10,22,103 Kr/M3, Pw ==
"=О 19,3.103 Kr/M3). Почти для всех пиролитических покрытий ха-
рактерна ярко выраженная столбчатая структура, причем на-
правление столбиков обычно совпадает с нормалью к фронту
кристаллизации. Размер столбцов зависит от условий осажде-
ния. Так, например, осадки молибдена, полученные при высоких
температурах (Т > 800 ОС), обладают крупнокристаллической
структурой и преимущественной текстурой, четко выраженной
уже на ранних стадиях кристаллизации, ВОЗМОЖНОСТЬ формиро-
вания покрытий с заданной кристаллоrрафической ориентацией
является одним из достоинств способа пиролиза летучих соеди-
нений металлов в протоке, что особенно важно для создания вы-
сокоэффективных катодов и анодов термоэмиссионных преобразо-
вателей.
В то же время нанесение мноrокомпонентных покрытий тер-
мической диссоциацией леrколетучих веществ связано с боль..
шими трудностями, 'поскольку rалоrениды и карбонилы металлов
сублимируют и разлаrаются в широком диапазоне температур,
Например, реющия (Уlз):;:z: IУ J + 3 (I) протекает при темпера..
турах больше 1800 ОС, а диспропорционирование (A1I2) имеет
место при низких температурах .......500 '" 900 ос. С нашей точки
зрения, получение мноrокомпонентных покрытий пиролизом
В протоке возможно только при использовании аппаратов с не..
СКОЛЬКИМИ сублиматорами.
Большой расход элементов покрытия, неоднородность осаДr{ОВ
по толщине, а также избирательность массопереноса в значитель-
ной степени предопределили оrраниченное применение способа
в промышленных масштабах.
Водородное восстановление летучих rалоrенидов металлов.
Процесс водородноrо восстановления rазообразных Фторидов и
хлоридов металлов, соrласно суммарным реакциям
(MeFn) + п/2 (Н2) ....... [Ме] + п (НР);
(МеСln) + п/2 (Н2) ....... [МеJ + п (НО)
HI6
проводится при давлении в аппарате 1,3.108...1,3.104 Па. При
этом значения коэффициентов использования фторидов и хло
ридов достиrают 0,98, что значительно выше, чем при пиролизе
карбонилов (.......0'30). В отличие от риролиза при водородном вос-
становлении водород выступает в качестве химически активной
добавки, снижающей температуру начала осаждения покрытия
и оказывающей каталитическое влияние на скорость про-
цесса,
Свойства получаемых покрытиЙ из туrоплавких металлов
кратко можно охарактеризовать следующим образом: 1) значения
микротвердости осадков сравнимы с величинами микротвердости
для соответствующих карбонильных покрытий (440... 520 НУ
для W; 200 ... 240 НУ для Мо; 200 .., 300 НУ для Nb); 2) плот
ность составляет 95 ... 98 % от теоретической; 3) микроструктура
имеет столбчатый характер; 4) в зависимости от режима нанесе-
ния возможно получение преимущественной текстуры роста;
5) адrезионные свойства как и для пиролитических покрытий оп-
ределяются наличием термических напряжений при ЭКСПЛуата
ции, подrотовкой поверхности детали под покрытие и температу-
рой подложки при осаждении (в любом случае достаточно толстые
фторидные покрытия при эксплуатации в условиях высоких
температур Т > 1500 ос отслаиваются).
Возможности осаждения мноrокомпонентных покрытий с по-
мощью водородноrо восстановления не исследованы ни экспери-
ментально, ни теоретически. Вероятно избирательность массопере-
носа элементов не позволит получать однородные по составу
осадки.
Химические транспортные реакции. Одним из эффективных
способов получения чистых металлов и сплавов, а также метал-
лических покрытий является способ химических транспортных
реакций (ХТР). Сущность способа заключается в том, что твердое
или жидкое вещество реаrирует с rазовой фазой по обратимой
химической реакции с образованием леrколетучих соединений,
которые, поступая в зону с друrими условиями химическоrо равно-
весия, разлаrаются с выделением исходноrо вещества и rазооб-
разноrо компонента. Последний возвращается в зону переноси-
Moro металла (зона сырья), замыкая тем самым цикл транспорт-
ноЙ реакции. Лимитирующей стадией процесса химическоrо
транспорта обычно являются доставка peareHToB из зоны сырья
в зону подложки или абсорбция осажденных элементов [113].
В первом случае массоперенос осуществляется в трех режимах:
молекулярном (длина свободноrо пробеrа молекул л значительно
превышает расстояние между сырьем и подложкой L), диффузион-
ном (11.« L) и переходном, (л L). Скорости осаждения для
химической реакции, записанной в общем виде
n+l
vjAj """ О
i l
(5.3)
181
(rде Vj стехиометрический коэффициент Aj"ro вещества; n
число rазообразных компонентов) MorYT быть определены с по-
мощью основных кинетических уравнений:
для молекулярноrо режима
wAP1:
Vj ==
Р V2лRТМj
(5.4)
для диффузионноrо режима
DjPJ'.vjA
Vj == n
Р .!} viRT L
i 1
lп ( Р g .!} V i PJ:.v / );
Pj1 .!} vi Pl:,v/
(5.5)
для переходноrо режима
Vj ==
wA i'JPj
Р V2лRТМj ,
(5.6)
rде w -;----- вероятность протекания поверхностной реакции, при-
ходящаяся на одно соударение молекулы летучеrо соединения
с единичной площадкой поверхности подложки; А атомная
масса; Р1: суммарное давление; р плотность, Т средняя
температура rаза в аппарате; Mj молекулярная масса основ-
Horo транспортирующеrо соединения Aj; D j коэффициент диф-
фузии по Уилку; p , P 2 равновесные парциальные давле
ния Aj"ro вещества в зонах сырья, и подложки; БРj пересыще
ние rазовой фазы по Атму компоненту. "
Если лимитирующей стадией процесса химическоrо транспорта
является абсорбция осажденных элементов, то скорость HaHece
ния покрытия может быть рассчитана соrласно уравнениям пер-
Boro и BToporo законов диффузии Фика (диффузионный режим)
или с помощью основных положений кинетики химических реак-
ций (кинетический режим). Равновесные давления компонентов рУ,
фиrурирующие в уравнении (5.5), MorYT быть опредеJlены из pe
зультатов расчета состава rазовой фазы.,Методики учета неравно-
весности процессов химическоrо транспорта металлов (5,6) раз-
работаны совместно с сотрудниками МИФИ [104].
Теоретическое рассмотрение способа ХТР позволяет сделать
заключение о том, что движущей силой процесса массопереноса
является наличие различных условий равновесия в зонах сырья
и подложки. На практике такое различие условий равновесия
достиrается созданием rрадиента температур (неизотермический
транспорт), изменением соотношения парциальных давлений rазо
образных веществ за счет подмешивания какоrо либо компонента,
а также активированием поверхности подложки (изотермический
транспорт). Неизотермический транспорт может протекать как
в зону с более высокой температурой, так и, наоборот, из f'орячей
188
ЗОНЫ В зону с низкой температурой. Направление хтр опреде-
ляется по знаку изменения энтальпии, так как соrласно прин-
ципу Ле Шателье в холодной зоне будут происходить экзотерми-
ческие процессы, а в rорячей эндотермические. Обычно пере-
нос в зону с высокой температуроЙ осуществляется по реакции
термической диссоциации (Mer n) :;;:::!: [Ме J + n (п, а в зону
с низкой температурой по реакции диспропорционирования
т (Mer n) ........ (m п) [Ме] + п (Mer т), rде п и т валентность
металла в данном соединении с rалоrеном.
Изотермический транспорт реализуется в том случае, коrда
на поверхности детали протекают реакции между адсорбирован
ными молекулами и элементами подложки:
(Ме' r n) + [Me"J:;;:::!: [Me;MekJ + (Ме' r т).
Можно выделить три основные конструкции: аппараты замк-
HYToro типа (запаянная ампула, реактор Ван-Аркеля и т. д.);
аппараты с псевдозамкнутым объемом; камеры OTKpbIToro Типа.
Наибольшее распространение получили две последние KOHCTPYK
цИИ (рис. 5.6 и рис. 5.7). Отличительной особенностью реактора
с псевдозамкнутым объемом [81] является наличие электромаr-
! нитноrо клапана (см. рис. 5.6),
2 позволяющеrо реrулировать сум-
3 марное давление в системе и вы-
ч водить из объема rазообразные
соединения примесных элемен-
тов непосредственно во время
!о
11
:>12
.
.
13
Рис. 5.6. Схема KBapueBoro аппара-
та для осаждения тантала из систе-
мы Ta \V Cl:
1 ТОКОВВОДы; 2 уплоrнение из
вольфрамовоrо порошка и кварцевой
иити; 3 кварцевый шлиф; 4 элеI{-
ТрОМ81"'НИТИЫ.й клапан; 5 НИТЬ HaKa
ла; fi . корпус реакциониоrо аппара-
та; 7 'щ спираль наrревателя; 8 тер...
мопара; 9 танталовая Фольrа; 10
испариrель; 11 rексахлорид вольф-
рама; 12 нвrревr'rель; 13 термопа-
рll
3
2
!ч
!J
12
11 /0 9 8 7 6 5 'f
Рис, 5,7, Схема печи с ретортой для нане-
сения жаростойких покрытий:
1 термопара; 2 - крышка; 3 тяrа; 4
смесь ПОРОШI{ОВ с активатором; 5 заrОТовка;
б контейнер; 7 .печь; 8 наrреватеJ1ьиые
элементы; 9 . реторта; 10 - спиральиая
трубка; 1 1 ЭI{ран; 12 крышка; 13, 14
трубки
HI9
процесса. Управляющими па-
раметрами являются темпера
туры сублиматора ТВ, сырья
Т1 И подложки Т2. Подrотовка
поверхности под покрытие осу-
ществляется в рабочей камере
посредством химическоrо трав-
ления в атмосфере аrрессив-
ной rазовой среды (12' С12, Br2). В качестве сырья использо
вали слитки, стружку ИЛИ порошок материала покрытия. Ско-
рости осаждения туrоплавких металлов достиrают неск,ОЛНКИХ
десятков микрометров в минуту, т. е. сравнимы с максимальными
скоростями осаждения тех же металлов при водородном восста-
новлении.
С помощью способа ХТР, реализованноrо в аппаратах с псевдо-
замкнутым объемом, получены покрытия на основе W, Мо, Та,
Nb, Zr, Hf, Cr, Re, Th, V и друrих металлов, характеризую-
щихся высокими адrезионными свойствами, даже для достаточно
толстых слоев (........500 мкм), низкими значениями микротвердости
(90... 110 HV для Nb, 100... 120 НУ дЛЯ Та, 300...340 HV
для W) и незначительными концентрациями прежде Bcero приме-
сей внедрения (Се, Со, сн и CN < 10 3 %). Возможность варьиро-
вания параметров проведения процесса позволяет наносить тек-
стурированные покрытия с различной формой и размером зерна,
получать относительно крупные монокристаллы (........1... 5 см)
и кристаллиты иrольчатоrо типа. Способ ХТР применяют и для
формирования жаростойких покрытий, например, MoSi2 на нио-
биевых сплавах [100], карбид циркония и хром на жаропрочных
сталях (рис. 5.8).
В промышленности наиболее часто ХТР используют для
алитирования жаропрочных сплавов в системах Al -I, Al Cl,
Al F, причем для этой цели предпочтение отдается реакто-
рам (контейнерам) OTKpbIToro типа, в которых реализуется диф-
фузионное насыщение из порошковых смесеЙ с rалоrенидными
активаторами. Физико-химические основы ХТР, протекающих
в камерах OTKpblToro типа, а также некоторые свойства фор-
мируемых в этом случае покрытий, будут рассмотрены при об-
суждении процессов химико-термической обработки металлов
и сплавов.
К недостаткам способа ХТР прежде Bcero следует отнести вы-
сокую избирательность массопереноса, что предопределяет не-
возможность нанесения мноrокомпонентных покрытий [481, и
относительно низкую производительность. Необходимо также
Рис. 5.8. Распределение элементов по
толщине покрытия ZrC, полученноrо
способом хтр на жаропрочной хро-
мистой стали
х, О/О
lr Zr Zr Zr
C C C {.
lr...Zr
с
( {
O o
K N
T.rpJI1UH
100
отметить сложность оборудования при реализации способа ХТР
в условиях BbIcoKoro Ba yYMa, а также неэффективность обработки
крупноrабаритных заrотовок,
5.7. ФИЗИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОШ'ЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
Наплавка. Одним из высокопроизводительных способов нане-
сения покрытий на поверхности деталей, нашедшем широкое при-
менение в производстве разнообразных изделий (как крупно-
масштабных, таких, как сосуды BbIcoKoro давления, так и мало-
rабаритных, типа клапанов двиrателеЙ BHYTpeHHero СI'орания)
является наплавка. Наплавкой называется процесс нанесения
защитноrо покрытия на поверхность матрицы целенаправленно
выбранным методом сварки. К таким методам можно отнести:
ручную (rазовую или дуrовую), полуавтоматическую (дуrовую
в среде защитноrо rаза или без защитноЙ среды) и автоматическую
(дуrовую под флюсом) сварку. В качестве наплавочных материалов
чаще Bcero используют перлитно-сорбитные, мартенситные, ВЫ-
сокомарrанцевые аустенитные и высокомарrанцевые стали, кар-
биды вольфрама, а также коррозионно-стойкие стали, сплавы на
основе никеля и меди. Эти материалы применяют, с одной стороны,
для повышения износостойкости, а с друrой для улучшения
коррозионной стойкости матричноrо сплава.
Теоретическое описание способа наплавки сводится к уста-
новлению влияния тепловложения процесса на свойства покры-
тий, к решению проблем сварочной металлурrии при обработке
в различных средах, а также к проrнозированию СФС поверх-
HocTHoro слоя в зависимости от скорости охлаждения и вида фи-
нишной термообр аботки.
Толщина наплавленных покрытий лежит в пределах 0,5...
40 мм. Структура формируемоrо слоя зависит от режима обработки,
а также от СФС материалов покрытия и детали. Например, при
наплавке коррозионно-стойкой стали на низкоуrлеродистую,СТРУК-
тура образованноrо поверхностноrо слоя представляет собой
смесь аустенита и мартенсита. Зона контакта покрытия с поверх-
ностью детали всеrда содержит большое количество уrлеродных
включений, что приводит к охрупчиванию материала детали.
В практике машиностроения примеШIЮТСЯ и друrие разновид-
ности наплавки, например, виброконтактная и вибродуrовая,
наплавка с HarpeBoM токами высокой частоты. В последнем слу-
чае износостойкость обрабатываемых деталей может быть повы-
шена в 10 15 раз.
Электронно лучевое испарение в вакууме. Среди всех способов
физическоrо метода нанесения покрытий в вакууме прямое элек-
трон но-лучевое испарение (ПЭЛИ) занимает особое место. Это
прежде Bcero связано с преимуществами HarpeBa материала по-
крытия посредством электронной бомбардировки, и, как следст-
вие, с возможностью переноса мноrокомпонентных систем. Сущ-
191
ность электронно-лучевоrо HarpeBa заключается в следующем:
1) электрон после прохождения через электрическое поле с раз-
ностью потенциалов U ускоряется и приобретает кинетическую
энерrию Ем == 1/2 mev2 === еи, [де те, Ve, е масса, скорость и
заряд электрона; 2) при взаимодействии электрона с атомами по..
верхностных слоев материала основная доля кинетическоЙ энер-
rии выделяется в виде теплоты; 3) максимальное торможение элек-
трона происходит в конце. пробеrа (при и === 15 ... 20 кВ rлубина
проникновения электронов в металлы 1 ... 2 мкм), поэтому боль-
шая часть теплоты выделяется на некотором расстоянии от по-
верхности, что обеспечивает однородность химическоrо состава
расплавленноЙ зоны. Такие особеннqсти характеризуют электрон-
ный луч как эффективное средство HarpeBa испаряемоrо вещества.
При нанесении покрытий способом ПЭЛИ протекают следую-
щие процессы: 1) плавление TOHKoro поверхностноrо слоя сплава;
2) объемная диффузия и вынужденная конвекция компонентов
сплава в расплавленном объеме; 3) испарение элементов с по-
верхности расплава; 4) доставка испарившихся атомов в зону под-
ложки; 5) поверхностные процессы; 6) абсорбция хемосорбирован-
ных атомов. Лимитирующей стадией обычно являются доставка
испарившихся атомов в зону осаждения (молекулярный режим)
или поверхностные процессы в зоне подложки (кинетический
режим).
В общем случае теорети еское описание процесса осаждения
материалов способом ПЭЛИ не вызывает затруднений и может
быть проведено по классической схеме: определение всей совокуп-
ности параллельно-последовательных стадиЙ; термодинамиче-
ский и кинетический анализ каждой стадии в отдельности; выбор
лимитирующеЙ стадии.
В . этой связи наиболее простой нам представляется квази-
равновесная модель, суть которой сводится к следующему: 1) в об-
ластях rраниц раздела твердое жидкое, жидкое I'аз, rаз
твердое выполняются условия термодинамическоrо равновесия;
2) диффузия в твердом состоянии отсутствует; 3) диффузия в жид-
кой и паровой фазах совершенна; 4) на rранице раздела TBepдoe
жидкое не происходит объемных изменений; 5) массоперенос
через паровую фазу осуществляется посредством мрлекулярноrо
потока
I
p,w.} А}
'lJ J J е
j р. V2лRТ j,
J
[де 'О} скорость массопереноса j-ro компонента; Т темпера-
тура пара; Р.! парциальное давление j-ro компонента; А}
атомная масса; W.f вероятность конденсации ';-ro элемента,
приходящаяся на одно соударение с единичной площадкой по-
верхности подложки; R универсальная rазовая постоянная;
Pj плотность; ej нормаль к поверхности осаждения; 6) коэф-
фициенты распределения и разделения элементов постоянны:
192
(5.7)
ах
ах
ах
I'I!C. 5.9, 1:( ВЫВОДУ уравнения распре-
it."llеIlНЯ элементов по толщине покры-
'111!! в рамках квазиравновесной модели
11!()('o6a ПЭЛИ:
I ИСХОДНЫЙ слиток; 2 расплавленная
JtШIl; 3 паровая фаза; 4 покрытие
х
И1J Сl(тв/С[(пар), k}2J == С[ (пар/С[(ж); С[(ТВ), С[(пар), С[(ж) -
I\orщентрации i-ro элемента в твердой, паровоЙ и жидкоЙ фазах;
/) I\омпоненты в твердом и жидком состоянии образуют идеаль-
'II.IС растворы.
Наиболее жесткими являются оrраничения 6) и 7), которые
("I'I)()I'O выполняются только при небольших концентрациях эле-
M('IITOB, коrда на диаrрамме состояния линии ликвидуса и соли-
)I,yca вырождаются почти в прямые. Очевидно, что полученные
j'I>I'ласно квазиравновесной модели данные можно считать ско-
PI'(' качественными, чем количественными.
Рассмотрим применение квазиравновесноЙ модели способа
II:,>ЛИ ДJIЯ случая массопереноса сплава (Ni + 33,6 % Со +
I 19 % Cr + 14,9 % Al) по схеме, изображенноЙ на рис. 5.9.
I \I\('Ж М следующие обозначения: с}О), С Ж), с}пар), с11) концен-
тр:щии i-ro элемента в исходном сплаве, жидкости, паровоЙ фазе
11 !lолучаемом осадке соответственно; k11) == С О)/С Ж); k12) ==
(' ж)/с пар); k}З) == с}паР)/сf1) коэффициенты разделения и рас-
111)('!l.Е'ления; l rлубина проплава исходноrо слитка под воздей-
j'TI\lleM электронноrо пучка; а линейный коэффициент полез-
ll()l'() использования материала покрытия. Запишем уравнение
М;lТсриальноrо баланса для i-ro компонента при смещении слитка
lIa расстояние dx:
l dс Ж) == (С}О) _ с1пар» dx.
(5.8)
III'!J('ХОДЯ К концентрации i-l'О элемента в осадке и подставляя
1\ (11.8) коэффициенты kP>' kP\ k 3) получаем
k12)k З)l dc l) == (С}О) с}l)k}З» dx.
1 IlIтerрирование (5.9) приводит к следующему выражению:
(5.9)
(1) 1 [ (О) t (' Х) J
С! == (З) С[ cons ехр "(3) .
I
'\онстанта интеrрирования определяется из rраничноrо условия
1: 11 (х =0 О) == C ), [де c} ) концентрацияi-rо элемента на по-
111'рХIIOСТИ обрабатываемой детали. В окончательном виде
(1) 1 ( (О) (l)k(З») ( Х)
С[ "(3) С! С[П i ехр .
kl lk,
, .
(5.10)
193
Для рассматриваемоЙ системы
Ni Co Cr AI необходимо за-
писать четыре уравнения типа
(5.10), решив которые и проведя
нормирование, можно выявить профили концентраций элементов
. по rлубине сформированноrо слоя,
Соrласно термодинамическим данным [60, 931 были получены
уравнения плавления, испарения и сублимации компонентов
сплава, исходя из которых определялись. коэффициенты распре
деления и разделения с учетом допущениЙ 1 3 квазиравновесной
модели. Значения а и 1 выбирались из условий проведения кон-
трольных экспериментов. Результаты расчетов (рис. 5.10) пока
зывают, что 1) по толщине покрытия должны формироваться
поверхности роста с различными концентрациями элементов,
причем профили концентрациЙ в областях между этими поверх-
ностями роста имеют сложный характер; 2) наблюдается избира
тельность массопереноса элементов, особенно А! и Cr; 3) aдeKBaT
ный перенос сплава может быть реализован только при значи
тельной продолжительности опыта (составы исходноrо сплава и
осадка становятся близкими, начиная с толщин 50... 60 мкм).
Полученные результаты расчета находятся в хорошем соrла
сии с выводами Ю. Д. Клебанова [481, которыЙ в рамках ленr-
мюровской кинетическоЙ теории переноса показал, что условие
адекватноrо переноса ДBYX и трехкомпонентных сплавов имеет
. следующий вид:
[1 [2 [3
=== == ,
тl т2 та
Со
Ni
[r
20
40
60 п,МКН
Рис. 5,10. Распределение элементов по
толщине покрытия (кваэиравновесное
приближение; величина h отсчитывает-
ся от поверхности подложки)
Рис. 5.11 о Схема установки УЭ137:
1 , ({амера испарения; 2 !{амера элек-
тронных пушек; 3 пять пушек нспаре..
ния; 4 пушка иаrрева; 5 обрабатывае.
мые заrотовки; 6 вспомоrательнзя ка..
мера; 7 привод вращения н перемещения
деталей; 8 подающий шток; 9 вакуум-
ный затвор; 10 заслонка; J 1, 12 тиrли
С испаряемым материалом; 13 привод
подачи слитков на испарение; 14 ЭЮЦЮ'-
иый экран
J k == CakPHmk/T)1/2,
(5.11 )
[де С"":"" постоянная; а,. активность k-ro компонента; ln'l.
молекулярная масса.
Исходя из (5.11), можно заключить, что адекватное испаре
ние достиrается только при t == t(), [де {о время испарения
194
фиксированной массы сплава, т. е. только на заключите.JIЬНОЙ
стадии массопереноса. Если учесть, что в исходном слитке содер-
жатся различные примесные элементы (С, N" О, Si, Ре и т. д.),
то число формирующихся по толщине покрытия поверхностей
роста с различными концентрациями компонентов может быть
значительно большим, чем это следует из результатов наших рас-
четов. Поэтому для ,получения более однородных по составу по-
крытиЙ процесс осаждения проводят только после вывода уста-
новки на установившийся режим, коrда условия переноса б.IIИЗКИ
к адекватным (5.11).
Для нанесения мноrокомпонентных и композиционных покры-
тий на лопатки в Институте электросварки {(м. Е. О. Патона раз-
работаны и внедрены электронно-лучевые установки УЭ175 и
УЭ137 [65]. Установка УЭ137 (рис. 5.11) имеет две камеры:
рабочую 1 и вспомоrательную б. К рабочеЙ камере ПрИСТЫКОВана
рама, на которой смонтирован привод 7 подачи, перемещения и
вращения заrотовок. Установка оснащена шестью или семью
электронно-лучевыми пушками 3, из которых одна или две преk
назначены для HarpeBa заrотовок.' Конструктивные особенности
пушек позволяют получать семь независимых электронных пуч-
ков реrулируемой мощности. С помощью соответствующей ап-
паратуры управления формируется оптимальная конфиrурация
зон HarpeBa с различной траекторией развертки луча на поверх-
ности испаряемых материалов или обрабатыIаемьlхx заrотовок.
Для HarpeBa заrотовок сложноrо профиляи переменноrо сечения
применяют систему, позволяющую работать в режиме сканиро-
вания по заданноЙ проrрамме, что обеспечивает равномерное рас-
пределение температуры по поверхности заrотовки [65 З. Про-
цесс нанесения покрытий проводится в вакууме не ниже 8,75)(
х 10 3 Па. В установке используется автоматическая стабилиза-
ция тока или мощности электронных лучей, ускоряющеrо напря-
жения, токов отклонения пучка. Этим обеспечивается неизмен-
ность задаваемых технолоrических параметров скорости испа-
рения, температур поверхности заrотовки, исходноrо материала
и т. д. Стабилизация технолоrических параметров является важ-
нейшей задачей усовершенствования способа ПЭЛИ, успешное
решение котороЙ позволит получать более однородные по составу
осадки. В значительной степени это решено при конструировании
установки УЭ175, которая снабжена автоматической системой
контроля и управления технолоrическим циклом на базе мини-
ЭВМ [65].
Было проведено исследование химическоrо состава и СФС
электронно-лучевых покрытий типа Me Cr Al У (Ме Ni или
Ме Ni, Со). Элементный состав покрытиЙ, толщина которых
варьировалась 70 ... 100 мкм, определялся методами ЭОС иРМА.
В качестве подложек использовались образцы из сплавов )I(С6Ф
и ЖС6У. Реrистрация оже-спектров осуществлял ась с поверхно-
сти косых шлифов с уrлом наклона 30'. Поверхность таких ШЛИ-
195
фов очищалась механически на
твердом материале с тонкой
бязевоЙ основоЙ, а затем ПОД"
верrалась травлению ионами
Ar (Е === 3 кэВ) в камере оже-
спектрометра при остаточном
давлении не ниже 1 0 6 Па
в течение 40 .,.. 50 мин, для
уменьшения нежелательных эф-
фектов «микрометаллурrии», протекающих на стадии изrотов"
.nения шлифа. Результаты оже..анализа (рис. 5.12) сводятся
к следующему: 1) внутри покрытий для ряда образцов обнаружены
тонкие, параллельные слои, характеризующиеся повышенным со-
держанием Аl, Cr, С и О (эквидистантные поверхности роста);
2) эквидистантные поверхности роста зафиксированы на экране
телевизионноrо монитора оже-спектрометра и выявлены при ме-
таллоrрафическом анализе; 3) иттрий в покрытиях не обнаружен,
Данные РМА соrласуются с результатами оже..анализа и свиде-
тельствуют об отличии среднеrо химическоrо состава сформирован-
ных слоев от состава испаряемых сплавов (например, покрытие
Ni.. Co Cr Al У характеризуется пониженным содеР}l{анием Cr
и Со).
Наиболее интересным фактом является формирование в про-
цессе осаждения эквидистантных поверхностей роста. Аналоrич-
ные поверхности наблюдались при исследовании некоторых
Свойств танталовых и ниобиевых покрытий, полученных спосо-
бом ХТР [99 J. В последнем случае число таких поверхностей
роста в точности соответствовало числу изменений режима осаж-
дения при проведении одноrо опыта. Анализ же покрытий, нане-
сенных способом ПЭЛИ, не позволяет сделать однозначноrо за..
ключения о причине образования микронеоднородностеЙ в хими-
ческом составе, поскольку их формирование может быть связано
как снестабильностью параметров , так и с избирательностью
массопереноса.
Фазовый состав жаростойких (Me Cr AI У) покрытий оп-
редеJIЯЛСЯ по данным peHTreHocTpYKTypHoro и металлоrрафиче-
cKoro исследования. Ero результаты показали, что 1) основными
фазовыми составляющими покрытия, содержащеrо 1l ... 12 % АI
и 15.., 18 % Cr (иттрий не обнаружен), являются .. и у"'фазы;
2) диффузионный отжиr и друrие виды термообработки, проведен..
ные при температурах ниже Т* (Т* 1020 ос температура
протекания четырехфазноrо превращения у + р, -;р: у' + а), при-
водят I{ изменению фазовоrо состава; 3) внепосредственной БJIИ-
зости 01' rраницы раздела покрытие маТрИl{а отчетливо выяв..
J /(Е 1.)
t j=r ]
80
Ni
Ni ,,Ni'N/
50 Ni'
/
Ni
"О
Ni
Cr Cr
20 со'с Cr
........ r..Cr", Cr Cr. Со
А! Co",c,co-СО'со-'::Сr со..:::::r:о .....Cr cr....7[ C
АL.Jl-AlL:"' А! Со AL.......A[ CO А!,:IjОАl1Ш
........С J:iНо С:f1бJ;;..']JbI:fJ:J2ё -пз
о 25 50 75 h,MKM
196
Рис. 5.12. Распределение элементов по
толщине электронно..лучевоrо покры-
тия (результаты ЭОС)
Рис. 5.13. Кривые жаростойкости спла
ва ЖС6У с вакуумно плазменным 1 и
электронно лучевым 2 покрытиями Ni
Cr Al У. Испытание в воздушной
среде при 1000 ос
g,Mr/cMl
5,0
2,5
2
ляется диффузионная зона тол-
щиной 15... 20 мкм С увели-
ченным содержанием у- и у' фаз;
4) 'матричныЙ сплав отделен от О
покрытия цеI;ЮЧКОЙ мелкодис
персных твердых включениЙ, которые соrласно результатам ЭОС
и термодинамическоrо анализа представляют собой карбиды
хрома; 5) покрытия имеют четко выраженную столбчатую ми-
кроструктуру, а размер зерна определяется температурой ПО!.!:"
ложки (в более общем случае величиной ее пересыщения).
Таким образом, фазовый состав Me Cr Al У покрытии,
осажденных посредством ПЭЛИ, в процессе термообработки из"
меняется, а поскольку при эксплуатации лопаток rтд в низкотем-
пературной области (Т < Т*) протекает фазовое превращение
у + В .--+ у' + а, то это может привести к нежелательным явле-
ниям (например, к возникновению локальных областей с высо-
коЙ концентрацией напряжений, что, способствует зарождению
трещин и интенсифицирует диффузию элементов).
Следует подчеркнуть, что нестабильность фазовоrо состава
исследованных покрытий обусловлена не какими-либо недос:rат-
ками способа ПЭЛИ, а является характерной чертой исходных
сплавов системы Me Cr Al У. Жаростойкость таких систем
в основном определяется содержанием алюминия в испаряемых
электронным лучом сплавах. С увеличением концентрации А!
сопротивление окислению конденсированных осадков возрастает.
Результаты исследования, проведенноrо в воздушной среде при
1000 ОС, изотермической жаростойкости сплава ЖС6У с электрон-
но-лучевым Ni Cr AI Y покрытием приведены на рис. 5.13
в сравнении с данными, полученными для вакуумно плазменных
покрытий.
Плотность и прочность сцепления ЭJlектронно-лучевых покры-
тиЙ с подложкой невысоки (по сравнению с ана,лоrичными осад-
ками, формируемыми с помощью ХТР), однако посредством фи-
нишноЙ термомеханической обработки плотность р может быт!>
значительно увеличена, а адrезионные свойства улучшены.
Поскольку при протекании проuессов испарения и конденса-
ции эффективность очцстки невелика, содержание примесей в элек-
тронно лучевом материале может достиrать 10 1 % и более (в за-
висимости от чистоты исходноrо сплава), а значения микротвер
дости, измеренноЙ для ряда металлов (Cr, AI, Zr и др.), пре-
вышают соответствующие ве,JIИЧИНЫ, характерные для тех же
элемеНТОR, подверrнутых химическому транспорту и ао:нной
плавке.
100
200
]ОО
'С' У
191
Несмотря на отмеченные не-
достатки, способ ПЭЛИ ЯВ-
ляется одним из наиболее пер-
спективных, что прежде Bcero
объясняется возмо ностью на-
носить покрытия практически
любоrо состава при раЗJIИЧНЫ.х:
температурах детали-подложки.
Следует только помнить, что
адекватный перенос элементов
сплава невозможен из прин-
ципиалыiых соображений, по-
этому выбор химическоrо состава исходноrо сплава должен быть
целенаправленным.
Вакуумно-плазменная обработка (впо). Для нанесения жаро-
стойких и износостойких покрытий широко используют вакуум-
ную ионно-плазменную обработку [5]. в основе ее лежат следую-
щие физические процессы: 1) испарение элементов материала 110-
крытия в условиях rлубокоrо вакуума; 2) ионизация компонен-
тов парОБОЙ фазы посредством электрическоrо разряда; 3) доставка
ионов из зоны сырья в зону подложки в ускоряющем электроста-
тическом или электромаrнитном поле; 4) взаимодействие ускорен-
ных ионов с элементами поверхности осаждения; 5) поверхностные
процессы на подложке. При этом энерrия ионов, бомбарди-
рующих поверхность детали, Достиrает 100 эВ, что HaMHoro пре-
вышает энерrию частиц, конденсируемых из пара при использо-
вании ПЭЛИ (10 1 эВ).
С помощью способа ВПО на поверхности деталей удается сфор-
мировать как металлические, так инеметаллические неорrаниче-
ские слои из оксидов, карбидов и нитридов. В этом случае испаре-
ния и ионизации атомов cbIpbeBoro металла плазма смешивается
с реактивным rазом, в результате протекают rазоплазменные реак-
ции, приводящие к образованию и последующей конденсации
соединений, входящих в состав покрытия. Парциальное давление
реактивноrо rаза в зоне плазмохимических реакций обычно не
превышает 10 1 Па.
Для нанесения покрытий способом ВПО разработаны установки
типа «Пуск», {{Булат» и т. д. Принцип работы установки «Пуск»
(рис. 5.14) ледуIPЩИЙ. После закрепления обрабатываемых заrо-
товок рабочая камера rерметизируется и создается давление не
хуже 10 З Па. На анод 2 и катод 3, а также электрод 4 подается ВЬХ-
сокое напряжение.. В результате возникновения импульсноrо
'1
3
198
Рис. 5.14. Схема установки «Пуск»:
1 рабочая камера; 2 аноД; 3 катод;
4 поджиrающнй электрод; 5 источник'
питання; б источник отрнцательноrо сме-
щения потенцнала; 7 MarHHT; 8 систе.
ма подачи реаКТИвноrо rзза; 9 система
откачки; 10 снстема крепления эаrото,
БОК; 11 обрабатываемые заrОТО9КИ
разряда между анодом н катодом зажиrается электрическая дуrа,
которая устойчиво rорит в парах токопроводящеrо материала Ka
тода при напряжении и == 20 ... 30 В и силе тока 1 == 150 .., 300 А.
Испарение элементов покрытия осуществляется из области
катодных микропятен вакуумной дуrи. Стабилизация разряда на
катоде, фокусирование и ускорение ионов плазмы происходит
с помощью маrнита 7. Дополнительное ускорение ионов по направ-
лению к обрабатываемым заrотовкам производится за счет прило
жения к ним отрицательноrо потенциала. Если подложка Haxo
дится под высоким отрицательным потенциалом ер ("""' 1,5 кВ), то
происходит эффективная ионная очистка ее поверхности, после
чеrо величина ер снижается до 100 В и происходит собственно про
цесс нанесения покрытий. Плотность ионноrо тока достиrает i ==
== 1O 2 ... 10 lA/CM2, при этом скорость конденсации составляет
10 2 ... 10 1 мкм/с. При необходимости в камеру подается реактив-
ный rаз.
При нанесении покрытия способом ВПО rенерируемый с катода
поток вещества содержит паровую, ионизированную и микрока
пельную фазы. Степень ионизации потока обычно составляет
несколько десятков процентов. В настоящее время разработаны
установки, позволяющие резко сократить количество расплавлен
ных конrломератов (микрокапельной фазы) и увеличить долю
ионизированноЙ фазы [5 J.
Покрытия, полученные способом ВПО, обладают более ВЫСQКОЙ
адrезией к материалу подложки (по сравнению с электронно
лучевыми), имеют относительно высокую плотность, дисперсную
микроструктуру. Варьируя величину энерrии ионов Е*, можно
добиться изменения СФС покрытия.
Существует MHoro разновидностей нанесения покрытий в ва"
кууме при осаждении на поверхность детали ионов [271. Напри-
мер, предложено получать покрытия электронно лучевым напы-
лением. В отличие от ПЭЛИ заrотовка, на которую наносится
покрытие, находится под высоким отрицательным потенциалом,
а в рабочую камеру вводится' дополнительный электрод, располо
женный между испаряемым материалом и подложкой. Процесс
нанесения покрытия заключается в следующем.
В рабочей камере создается разрежение, затем в нее напус
кается инертный I'аз. Подав высокое напряжение на подло.ж:ку,
зажиrают тлеющий разряд между заrотовкой и экраном, располо-
женным в промежутке катод дополнительныЙ электрод. При
этом ионы rаза бомбардируют поверхность заrотовки и производя'1'
ее ионную очистку. Затем электронным лучом расплавляют нано-
симыЙ материал, в результате чеrо начинается ero интенсивное
испарение, и зажиrают дуrовой разряд между дополнительным
электродом и жидкой ванной (расплавом материала). Испарив
шиеся атомы ионизируются электрическим разрядом (степень
ионизации паровоrо потока 5 ... 10 %), и образовавшиеся п6ло
жительные ионы совместно с ионами Ar устремляются к заrотовке.
НШ
При этом скорость осаждения покрытия превышает скорость
распыления.
Ионная бомбардировка может быть прекращена на определен-
ной стадии ПРОЦЕсса нанесения покрытия, например, после обра-
зования переходной зоны между подложкой и покрытием. Для
некоторых леrкоиспаряемых и леrкоионизируемых металлов (Ст" ,
Al И др.), сплавов на их основе после завершения ионной очистки
зar'О1'ОВI<И Ат' удаляются из реактора, а разряд, возбуждаемый
в парах этих металлов, rорит между ДОПО,lIните.IIЬНЫМ элеIПРОДОМ
и расп,лавом.
Было проведено исследование химическоrо состава и СФС по-
крытия, ПО,lIученноrо из сплава Ni Cr' Al Y способом В110.
Покрытия ТОJ11ЦИНОЙ 80 ... 90 мкм наносили на пластины из сплава
>КС6У, Химический состав определяли методом РМА. В I<зчестве
образцов для исследования использовались поперечные птифы.
Учитывая, что химический состав фазовых составляющих покры-
тия неадекватен, а линейный размер зерен различных фаз имеет
величину около 1 мкм, съемки проводили в растровом режиме
с участков повер хн ости площадью 10 х 1 О мкм2., Это позволяло
по.лучать данные о среднем химическом составе различных обла-
стей покрытия.
Количественный РМА проводили путем обработки первичных
результатов по проrрамме ZАF коррекции. Кроме Toro, методом
РМА Qпределяли состав пленки..конденсата, нанесенной из сплава
Ni Cr .Al У на фольrу из коррозионно"стойкой стали. Съемка
производится с внешней и внутренней (соприкасавшейся с под-
ложкой) поверхностеЙ пленки-конденсата. Содержание Al и О.
Б конденсате определяли объемно-комплексным и перtульфатно-
серебряным методами химическоrо анализа.
Установлено, что ваКУУМНО.П.IIазменные покрытия достаточно
ОДНОрОДНЫ по толщине, Химические составы покрытия и распыляе
Moro сплава различаются (в покрытии пониженное содержание АI
и повышенная концентрация Cr). Относительное снижение co
дер.жания А! составляет 20 ... 25 %, а относительный рост кон-
. центрации О. 10 ... 15 %. ИттриЙ в покрытии не обнаружен.
Непосредственно после осаждения покрытие характеризуется
неравновесным СФС (решетки фазовых составляющих сильно
искажены). Об этом свидетельствует большое уширение дифрак-
ЦИОННЫХ линий на дифрактоrрамме. Покрытие содержит "(- и С(,-
фазы или у.., С(,- и -фазы, имеет мелкодисперсную микроструктуру,
JIИнеЙный размер зерен около 1 мкм.
Прочность сцепления покрытия с подложкой (СП,lIавом ЖС6У)
непосредственно после осаждения невелика и зависит от состояния
повеРХl!:остноrо СJIОЯ подложки, прежде Bcero, от ero химическоЙ
чистоты.
. ДИФФУЗИ\i}ННЫЙ отжиr при 1000 ос в течение 3 ч приводит К рез
кому повышению прочности сцепления. При этом происходит диф-
фузия компонентов покрытия (Cr и At) в сплав ЖС6У, а компонен-
200
Рис. 5.15. Кривые усталости сптiва
ЖС6У с вакуумно плазменным (1),
электронно-лучевым (2) покрытиями
и беа нокрытия (3). У СЛОВИЯ испыта
пия: температура 975 ос, частота на-
rружения 3200 [Ц, среда воздуш-
ная
б, t1Па
4001
З50
I
зоо
250
1'ов еплава (Со, W) в покрытие.
Толщина диффузионной зоны 200
составляет 15... 20 мкм. Со- ЮS ю6 ю7 юд N,циКfl
вершенство кристаллической
решетки фазовых составляющих покрытиЙ при отжиrе резко уве-
личивается.
На rранице покрытия с подложкоЙ при отжиrе образуются
твердые дисперсные включения. Учитывая результаты исследо
вания, проведенноrо методом ЭОС, можно сделать заКJlючение о
том, что эти включения представляют собоЙ карбиды 0-, Толщина
слоя, содержащеrо карбиды, 5 ... 10 мкм.
Были также исследованы жаростойкость и сопротивление уста-
.р:ости сплава ЖС6У с вакуумно-плазменным и электронно-лучевым
покрытиями, полученными способами ВПО и ПЭЛИ из одноуо и
1'оуо же сплава Ni Cr Al У. Толщина покрытия в обоих СЛУ"
чаях составляла 80 ...90 МКМ:. Образцы перед нанесением покрытий
подверrали виброабразивной обработке,
После нанесения покрытия способом ВПО образцы подверrа,ли
вакуумному диффузионному отжиrу при 1000 ос в течение 4 ч.
Технолоrия получения электронно-лучевых покрытий ВКJJlочала
диффузионный отжиr при 1000 ос в течение 2 ч, обработку поверх-
ности покрытия микрошариками и рекристаJl.лизационныЙ ОТЖЮ'
при 1000 ос в течение 2 ч. Образцы без покрытиЙ после виброабра-
зивной обработки отжиrали в вакууме при 1000 ос в течение 4 ч,
т, е. подверrали термообработке по режиму, близкому к режиму
обработки образцов с покрытиями.
Изотермическая жаростойкость (при 1000 ОС) в воздушноЙ
среде сплава ЖС6У с покрытиями, полученными способами ВПО
и ПЭЛИ, заметно различаются (см. рис, 5.13). Более низкая жаро-
стоЙкость образцов с вакуумно-плазменным покрытием 13 основном
обусловлена пониженным содержанием в нем Аl (приблизите.IIЬНО
на 3 ... 4 %). Отметим, что находящиЙся в покрытнях А! обеспе-
чивает образование при окислении защитной пленки из оксида
а А12Оэ,
После 300-чаСОБОЙ выдержки на воздухе при 1000 ос поверхно-
стныЙ слоЙ обоих видов покрьпиЙ, кроме оксида а . А12Оэ, со-
держал "(-, "('- и а-фазы, причем в электронно-лучевом покрытии
количество фаз "У' и а было соответственно выше и ниже, чем в ва..
куумно-плазменном.
Кривые сопротивления усталости образцов при 975 ос при-
ведены на рис. 5.15. Наличие покрытий приводит К снижению со..
201
1 Jf). :.ЪJ. :
2
з :' .JN]
Рис. 5.16. Схема установки для нанесения по-
крытия маrиетрониым распылением:
1 анод; 2 катод; 3 маrннты; 4 область
дрейфа электронов; 5 распыленные атомы;
6 обрабатываемая заrотовка
противления усталости, что обуслов-
лено, вероятно, более низкими проч-
ностью И пластичностью сплавов
Ni Cr Al У по сравнению со
СП,l1авом ЖС6У, причем вакуумно-плазменное покрытие умень-
шает сопротивление усталости в большей степени. Одной из
причин этоrо является более высокая шероховатость поверх-
ности baKYYMHO-ПJJaзменноrо покрытия (Ra ==о 2,6 ... 3,1 мкм)
по сравнению с электронно-лучевым покрытием (Ra ==о 0,7 ...
1,1 мкм).
Поскольку сплавы Ni Cr Al, являющиеся основой жаростой-
ких покрытий Ni Cr Al У, структурно нестабильны [120 J,
то важной проблемой является выбор оптимальноrо режима их
термообработки. Финишная термообработка должна проводиться
при температуре, близкой к рабочеЙ. Такая обработка способствует
повышению структурной стабильности материала покрытия.
В заключение отметим, что способом ВПО наносят покрытия
как из чистых металлов (Си, Cd, Nb, Та, Мо, Cr и др.), так и из
мноrокомпонентных систем типа Ni AI, Ni Cr, Ni Cr Al У,
Fe Cl' ,Al Y и др.
Marhe-rронное распыление, Одним из перспективных способов
получения покрытий является MarHeTpoHHoe распыление (МР) [26].
В основе данноrо способа лежит процесс распыления материала
катода в результате бомбардировки ионами рабочеrо rаза (обычно
Ar) и осаждение продуктов распыления (представляющих собой
в основном нейтральные атомы) на поверхность обрабатываемой
заrотовки.
В отличие от распыления в тлеющем разряде MarHeTpoHHoe
распыление проводят при более высоком разрежении (р 1O 2 ...
10 1 Па), а напряжение между катодом и анодом не превышает
10 кВ. Мю'нетронное распыление характеризуется также более
высокой скоростью травления (и '" 10 1 ... 1 мкм/мин), что выз-
вано резким повышением плотности ионноrо тока на поверхности
катода (до 3. 101 А/см2).
Схема установки для нанесения покрытия способом мр при-
ведена на рис. 5.16. Под распыляемым катодом 2 находятся Mar-
:ниты 3. Силовые линии маrнитноrо поля в виде дуr замыкаются
между полюсами маrнитов. При подаче постоянноrо напряжения
(обычно 300 'н 800 В) между катодом и анодом возникает нели ней-
Ное неоднородное электрическое поле и возбуждается электриче-
ский разряд. Силовые линии электрическоrо поля перпендику-
лярны к силовым ЛИНJ.:lЯМ маrНИТIfOrо поля и поверхности катода.
Таким образом, распылен е происходит в скрещенных электри-
чеС1{()М и маrнитном: ПОЛЯ:1С Электроны, эмиттируем:ые с поверх"
I)2
IIOСТИ катода под действием ионной бомбардировки, «захваты-
ваются» маrнитным полем и совершают сложное циклоидальное
JlIзижение по замкнутым траекториям в окрестности катода (об-
JlaCTb 4). В результате столкновений электронов с атомами раба-
'Iero rаза происходит их ионизация, степень ионизации рабочеrо
I'аза приближается к 100 %. В результате резко увеличивается KOH
I ентрация ионов рабочеrо rаза, плотность ионноrо тока и COOT
ветственно скор ость распылени я.
При мр частицы, осаждающиеся на поверхность детали, имеют
более высокую энерrию (Е* 10 1 ... 101 эВ), чем при ПЭЛИ.
: )TO обеспечивает хорошую адrезию покрытия к подложке. мр
lIозволяет получать покрытия из чистых метаЛJIОВ, их сплавов,
а также полупроводников и диэлектриков. Эти покрытия характе-
ризуются относительно высокой химической чистотой и низкой
IIОРИСТОСТЬЮ. Коэффициент использования теплоты при MarHe
тронном распылении значительно выше, чем во всех друrих распы
лительны х системах.
Скорости распыления материалов обычно различаются не более
'!ем на порядок, а скорости их испарения на несколько ПОРЯk
ют. Например, коэффициенты ,распыления чистых Ni и Мо при
()омбардировке ионами Ar+ с энерrией 400 эВ различаются при-
(шизительно в 2 раза, а скорости их испарения при 2000 ос на
JlНТЬ порядков. Последнее позволяет получать покрытия с Химиче-
('({11М составом, очень близким к составу распыляемой мишени.
Проведено исследование химических составов и структурно-
фа:ювых состояний пленок, полученных мр сплава: 18,8 % Ni,
1:2,3 % Cr, остальное Al. Пленки толщиной около 10 мкм наносили
1\,\ lIикелевую фольrу, мр проводили с использованием в качестве
ра(Jочеrо rаза Ar при давлении 10 1 Па по двум режимам: 1) мощ-
I(ОС'IЪ разряда N == 1,2 кВт, сила ионноrо тока 1 == 3,5 А; 2) N ==
2,3 кВт, 1 == 8 А. Содержание Аl и Cr в пленках, а также в рас-
(11,IШlемом сплаве определяли методами химическоrо анализа.
(;труктурно фазовое состояние исследовали с помощью РСА.
Показано, что химический состав пленок зависит от режима
M:II'HeTpoHHoro распыления. Пленка, полученная мр по режиму
1), содержала 12,3 % АI и 18,2 % Cr; пленка, нанесенная по ре-
ЖIIМУ 2) 13,7 % АI и 19,3 % Cr, Статистическая ошибка опреде
.JI('ННН концентрации А! и Cr не превышала 0,2 %. Таким образом,
IIJI( нка, полученная мр по режиму 1), практически имела тот же
)( 11 М IJ чески й состав, что и распыляемый сплав.
В процессе осаждения в пленках формируется неравновесное
t Iруктурно.фазовое состояние с высоким уровнем искажений pe
IIIl'ТIП! На это указывает чрезвычайно большая ширина дифрак-
ItllOlШЫХ линий на дифрактоrрамме (рис. 5.17). Вакуумный отжиr
111'1\ 950 ос в течение 2 ч приводит К анниrиляции дефектов решетки.
IlIlIpIlHa дифракционных линий при этом резко снижается, ста-
111 Н (lТся возможным проведение детаЛЫlOfО фаЗОВОfО анализа.
11ОI{i;1заио, что отожженные пленки содержат фазы у'. у. а. и .
203
. .
)
t
Рис. 5.17. Фраrмеиты дифрактоrрамм КОН-
денсата Ni Cr AI, полученноrо маrнетрои- ,
ным распылением: (РеКа излучением)
а после осаждения; 6 после отжиrа:
1, 2. 3 дифракциониые линии фаз '1' V '1". а. 13
соответственно
Причем в пленке с повышенной кон-
центрацией Аl содержание a и
р фаз увеличено. Соrласно диа
[рамме состояния Ni Cr Al пленки
, ...., .j . jL,.., L_. сплавов Ni (12,3 %), Аl (18,2 %),
213,"62 60 58 56 54 52 остальноеСrиNi(13,7%),Аl(18,3%),
остальное С!' в равновесном состоянии должны представлять со-
бой смесь фаз у' и а Прf1 температуре ниже 1000 ос. Таким об
разом, и после отжиrа пленки находятся в метастабильном со-
стоянии.
Отметим, что при MarHeTpoHHoM распылении сплавов, содер-
жащих резко отличающиеся по атомной массе элементы (напри-
мер, Ti W), в покрытиях наблюдается пониженная концентра-
ция леrкоrо компонента Ti [27], что обусловлено более интенсив-
ным рассеянием Jтеrких атомов на ионах рабочеrо rаза.
rа::н:шламенное и п,пазменное напыление. Напыление пред
стаВJlяет собой процесс нанесения покрытия на поверхность де,.
тали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содер-
жащеЙ твердые частицы или капли расплава напыляемоrо мате-
риаJ1а. В зависимости от источника тепловой энерrии различают
rазопламенное и электродуrовое напыление [109]. При rазопла-
менном наПЬ!J!ении используется теплота, выделяющаяся при [о-
рении смеси rорючий rаз кисЛОрОД. Электродуrовое напылени
основано на использовании теплотЫ электрической дуrи.
Наиболее широко применяют метод rазопламенноrо напыле-
НИЯ. Разновидностью l"азопламенноrо напыления является дето-
нзщюнное напыление, при котором используется энерrия детона-
ции смеси ацетилена с кислородом, Детонационное напыление поз
воляет наносить покрытия из материалов с высокоЙ температурой
\шавЛСНИЯ.
Электрические методы напыления электродуrовое, l1J1ззмен"
ное и высокочастотное индукционное имеют более широкие тех..
НОJЮПlческие возможности для нанесения покрытий практически
люБОl"О сплава.
Напылением МОЖI-JО наносить 110КРЫТИЯ с ра личнЫМИ свойст-
вами; теплостоЙкими, теплоизоляционными, износостойкими, кор-
розионно-стойкими, электроизоляционными и др. В процессе
напыления покрытий заrотовки наrреваются незначительно (не
более 200... 250 ОС).
ДЛЯ получения плазмы в промышленности используют два типа
rорелок плазм:енно дуrовые и плазменно струйные. В плазменно-
дуrовой ropeJxкe ЭJXектриче кая дуrа rорит между анодом, которым
204
является обрабатываемый материал, и катодом, изrотовленным из
вольфрама или вольфрамовоrо сплава, содержащеrо приблизи-
тельно 2 % тория. Дуrу стабилизирует закрученный поток раб()-
чеrо rаза, вытекающеrо из сопла rорелки. В плазменно струйно!;,
['орелке дуrа образуется между во,пьфрамовым катодом и анодом,
которым является медное, охлаждаемое водой сопло. Дуrа Harpe-
вает до высокой температуры рабочий rаз, подаваемый с закрут-
кой в камеру rорелки и вытекающиЙ из сопла в виде плазменноЙ
струи. Подача интенсивно перемешапноrо рабочеrо rаза в каМЕ'11У
rореЛКИ стабилизирует процесс rорения дуrи и повышает ее 1'<;:;111'
пературу. _
Плазменные rорелки позволяют леrко получать плазменную
струю, средняя температура котороЙ на выходе из сопла СОСТаВ-
ляет несколько тысяч [радусов (7000 ... 20000 ОС). Такая темпе.
ратура является достаточной для расплавления любых веществ,
существующих в твердом виде.
В качестве рабочеrо rаза обычно используют арl'ОН или азот.
Порошок напыляемоrо материала подается в сопло rорелки струей
'транспортирующеrо rаза, наrревается плазмой и далее перено..
сится на поверхность обрабатываемоЙ заrотовки, "
Напыление плазменной струей имеет следующие особенности,'
Высокая температура плазменной струи и возможность менять
ее в широком диапазоне подбором диаметра сопла и режимов ра..
боты распылителя позволяют производить напыление различных
материалов: металлов (особенно туrоплавких), керамики и ор..
rанических материалов. Так как в качестве рабочеrо rаза испо,ль-
ЗУЮТ инертный rаз (aproH или смесь aproHa с 5 ... 10 % водорода
или смесь азота с 5 ... 10 % водорода), в напыляемом покрытии
образуется сравнительно мало окислов. Поверхность обрабаты-
BaeMoro материала наrревается обычно не выше 100... 200 ОС,
ПО'1ТОМУ плазменные покрытия можно наносить на леrкоплавкие
металлы и сплавы, пластмассы, дерево.
Покрытия, ПО.'lученные плазменным напыJIнием,, имеют
высокую плотность и хорошее сцепление с поверхностью детали..
НаПЫJlяемая поверхность наrревается не выше 200 ОС, следо-
вательно, ее деформация невелика. Однако процесс плазмен-
Horo напыления имеет сравнительно низкую производительность,
сопровождается шумом и сильным ультрафиолетовым излуче-
нием. К недостаткам этоrо метода относится выделение дыма и
аэрозолеЙ во время напыления, что требует создания мощных
вытяжных устройств.
В бо.пьшинстве с.пучаев соединение напы.пеШЮI'О ПОКрЫТИЯ
с подложкой происходит в результате механическоrо сцепления,
поэтому для обеспечения высоких адrезионных свойств под-
Jюжка должна быть достаточно шероховата. Помимо механическоrо
соединения наПЫЛеННОl'О покрытия с матрицей возможны и друrие
виды соединениЙ, например, сплавление напыляемоrо материала
с материалом эаrотовки, образование химических соединений и т. Д.
205
'У'величеrI!-;е rrрочности механическоrо сцепления связано с
у:ве,JIичением площади поверхности матрицы и ее активности, что
также важно и для друrих видов соединения, Поэтому создание
увеличенной шероховатости на поверхности заrотовки имеет
большое значение в процессе напыления.
5.8. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
И СП.ТiАВОВ
Одним из наиболее широко используемых в промышленности
методов технолоrическоrо обеспечения оптимальных величин
параметров поверхностноrо слоя деталей машин является химико
термическая обработка (ХТО) [85 J. Под ХТО будем понимать
совокупность способов химическоrо и термическоrо воздействия
окружающей среды (rаз, жидкость, твердофазные смеси) на по-
верхность материала, ПОЗВОЛЯЮЩИХ целенаправленно зафикси-
ровать качественно новое физико-хемическое состояние моди
фицированноrо поверхностноrо слоя детали. Более подробно
остановимся только на анализе процессов диффузионноrо ,насы-
щения, так как они чаще всето используются в промышленности.
Термодинамика и кинетика ХТО.. Теоретические и эксперимен-
тальные данные, полученные с помощью прецизионных методов
исследования фазовоrо и химическоrо состава диффузионных
Сlюев, указывают на то, что во мноrих случаях формирование
диффузионноrо слоя протекает в условиях, значительно отличаю-
щихся от равновесных (при больших пересыщениях). В этой
СВЯЗИ можно выделить совокупность физико-химических и кинети-
ческих факторов, определяющих механизм формирования диффу-
зиониоrо слоя с неравновесными составом и структурой.
Физико-химические факторы: термодинамические функции
фаз в системе взаимодействующих элементов; равновесный со-
став насыщающей среды; степень неравновесности состояния ок-
ружающей среды; адсорбционные характеристики элементов и
соединений; структурно энерrетические условия образования
фазы на поверхности сплава; степень пластической деформации
в зове диффузии.
Кинетические факторы: соотношение между скоростью поступ-
ления ЭJlемента на поверхность и скорость ето диффузии в твер-
дом материале; скорость реакции взаимодействия на rранице
СПJ1lав иасыщающая среда; скорость иаrрева до изотермы процесса
и скорость охлаждения по окончании насыщения; продолжитель-
ность процесса диффузии на изотерме; соотношение между ско-
ростью диффузии инородноrо элемента в поверхностном слое и
скоростью самодиффузии компонентов насыщаемоrо сплава.
Учесть вЛияние всех перечисленных факторов на механизмы
формирования диффузионных слоев с помощью теоретических
методик исследования не представляется возможным, поэтому
при анаJшзе процессов насыщения широко применяют методы
205
планирования эксперимента [30 J. Например, с их помощью из-
учалось влияние технолоrических параметров процесса насыще-
ния на скорость формирования диффузионноrо слоя, ero фазовый
и химический состав, оптимизировались по свойствам мноrие
способы нанесения диффузионных покрытий, исследовалась кор-
реляционная связь между структурными характеристиками мо-
дифицированноrо слоя и ero свойствами и т. д.
Пр и анализе кинетических закономер ностей процессов Х ТО
обычно используется эмпирическая зависимость rлубины диффу-
зионноrо слоя б от продолжительности 't процесса:
б == k-r:n, (5.12)
[де k и п постоянные, определяемые экспериментальным путем.
Для установления корреляционных соотношений между при-
весом твердой фазы и продолжительностью насыщении исполь-
зуем обобщенное уравнение кинетики l'eTeporeHHbIx химических
реакций:
т
k* == (1 а) Vn r
S'tl a. J
то
dm
[сУ (т то)]n '
(5.13)
rде S == k' 5о/-т;а.; то и 50 начальные площадь и масса поверх-
ности насыщаемой твердой фазы; т масса твердой фазы в мо-
мент времени -с; V объем насыщающей фазы; с предельная
концентрация насыщающеrо компонента в твердой фазе; n - по-
рядок реакции по насыщающему peareHTY; ct постоянная, за-
висящая от индивидуальных свойств реаrирующих фаз; k*
константа скорости процесса. '
Если пересыщение peareHTa велико (6р» о или 6с::» О), то
изменением ero концентрации в насыщающей фазе во времени
можно пренебречь. Поэтому при условии ct --+ О интеrрирование
уравнения (5.13) приводит к следующей формуле:
k" (1 а) дт
о S ' O\ .
п'!;
Принимая пропорциональность привеса и толщины диффу.
зионнох"о слоя б == k' t!m, окончательно получим
k (1 а) l) k k'k'5
. о 'tl a.' О == О о.
Отсюда следует, что построенные в лоrарифмических коорди-
натах зависимости Jg ( m) 19 (1:) и 19 (6) 19 ('t') представляют
собой прямые линии, TaHreHc уrла наклона которых к оси Jg 1:,
равен (1 а.). Это позволяет вычислить значение (1 а.) и ko,
а также оценить кажущуюся энерrию активации процесса.
а соответствии с насыщающими элементами (и вне зависимо-
сти от способа) процессы ХТО подразделяют следующим образом:
азотирование; цементация; цианирование; алитирование; бори-
201
(5.14)
(5.1 5)
раввине; карбонитрация; силицирование; титанирование; хрома-
алитирование и Т. д.
Азотирование представляет собой поверхностное насыщение
метаююв и сплавов азотом посредством диффузии из внешнеЙ
среды [85]. В соответствии с разработками И. А. Минкевича,
Ю. М. Лахтина и друrих ученых азотирование стальных изделий
чаще Bce.ro проводят в ретортных (муфельных) печах в потоке ам-
миака с добаВJ!епием молекулярноl'O азота при 500... 700 ос
Продолжительность насыщения 20 '" 80 ч, что обеспечивает rлу"
бину модифицированноr'о слоя 0,1 ... 0,5 мм и твердость 650 ...
1100 HV (содержание азота в поверхностном слое достиrает 10 ...
12 %), При температурах выше 400 ос аммиак частично диссо-
циирует, а образовавшийся азот, адсорбированный на поверх-
ности, диффундирует в матрицу, образуя с ее компонентами азо-
тистые фазы (а-азотистый феррит, у-азотистый аустенит), а также
нитрид,Ы стехиометрическоrо состава Fe4N и F'e2N.
Выбор значениЙ управляющих параметров (температура, про-
должительность, состав rазовой фазы и т. д.) определяется тре-
бованиями к rлубине и твердости поверхностноrо слоя. Напри-
мер, для достижения значительноrо упрочнения стали при не-
большой толщине дифФузионноrо слоя рекомендуется поддержи-
вать низкие температуры, ДJIЯ формирования толстых модифици-
рованных слоев с относительно невысокой твердостью более
высокие температуры. Если же необходимо получить высокие зна-
чения твердости и обеспечить большие rлубины проникновения
атомов азота, то обработку проводят в двухступенчатом режиме.
Азотирование применя:ют не только для упрочнения, но и для
повышения износостойкости, сопротивления усталости и корро-
зионной стойкости детаJlеЙ, работающих в воде и друrих аr-рессив-
ных средах.
Диффузионному насыщению азотом чаще Bcero 'подверrаются
детали, изrотовляемые из конструкционных сталей, содержащих
нитридообразующие элементы (Cr, AI, Мо, Тi, W, V, Nb, Мп),
а также из обычных Леrированных сталеЙ (хромоникеJlевые кор"
розионно стойкие и жаропрочные стали), которые применяют для
изrотовления rильз цилиндров, шестерней, клапанов поршневых
двиrатеJJей, коленчатых валов, деталей буровоrо инструмеНТ!l,
насосных штаю', пружин и т. д.
Сопротивление :износу азотированной стали значительно выше,
чем цементированной и закаленной. Однако тонкий азотирован-
ный слой в отличие от цементированноrо может выдерживать
меньшие. наrрузки.
Азотирование коррозионно-стойких стаJ!ей резко повышает
износостойкость деталей, работающих во влажной среде и при
повышенных температурах (,.....,500 ОС). В этом случае коэффициент
трения при работе без смазочноrо материала снижается с 0,7 до 0,1.
Твердость азотированноrо слоя деталей, испытывающих зна-
копеременные наrруэки, змается Б пределах '(6,5 ... 7,5) 102 HV,
208
а для деталей, работающих на трение и износ (без силовой на-
rрузки) "",,9.102 ... 1,1.103 HV. Сопротивление коррозии азоти-
рованной коррозионно-стойкой стали понижается вследствие
обеднения твердоrо раствора хромом, что необходимо учитывать
на стадии изrотовления деталей, предназначенных для эксплуата-
ции в аrрессивных средах.
Обработку уrлеродистых сталей (так называемое антикорро-
зионное азотирование) часто применяют вместо нанесения rаль-
ваничесн:их покрытий для защиты от коррозии деталей, работаю-
щих в воде и в друrих аrрессивных средах. Антикоррозионное
азотирование осуществляется в rазовой фазе, содержащей аммиак,
при 600 ... 700 ос в течение 1 ч, что обеспечивает создание карбо..
нитридноrо слоя толщиной 15... ЗА мкм. В этом случае, кроме
высокой коррозионной устойчивости, друrих трерований к по-
верхностному слою обычно не предъявляют.
Все большее применение находит высокотемпературное азо-
тирование туrоплавких металлов. Диффузионное насыщение про-
водят. в rерметических камерах, снабженных вентильными уст-
ройствами, с помощью которых производится дозированная или
непрерывная подача азотирующей rазовой смеси (аммиак прак-
тически не применяется, что вызвано наводороживанием и охруп-
чиванием насыщаемоrо металла). Толщина модифицированноrо
слоя, ero химический состав и структур но-фазовое состояние
определяются в основном температурой Т, активностью а и ско-
ростью подачи насыщающей среды v, а также временем "t' пребы-
вания на изотерме.
Азотирование тi и сплавов на ero основе чаще Bcero проводят
в атмосфере азота высокой чистоты, причем оптимальным счи-
тается следующий режим: Т == 950 ОС, v == 20 .., зо см3/мин,
17 == 25 ... за ч, а 1. Протекание процесса насыщения в опти-
мальном режиме обеспечивает образование диффузионных слоев
ТОлщиной до 100 мкм, при этом твердость металла возрастает до
(7,8 ... 8,5) 102 HV. Индукционный HarpeB ТВЧ, а также прове-
дение азотирования в плазме тлеющеrо разряда значительно по-
вышают скорость образования модифицированноrо слоя,8 де-
сятки раз сокращают продолжительность процесса.
Ниобий азотируют' при температуре 1100 ос ("t' =- 2 ... З ч),
тантал при 1100... 12000с. Достиrаемая в этом случае толщина
диффузионноrо слоя (50... 70 мкм) обеспечивает значительное
увеличение твердости (1,15... 1,25) 102 HV для Nb и (1,6...
2,25) 102 HV дЛЯ Та. Хром, молибден и вольфрам подверrаются
азотированию при более низких температурах (9QO ... 1100 ОС).
Цементация является одним из основных видов ХТО и пред-
ставляет собой поверхностное насыщение металлов и сплавов уrле-
родом посредством диффузионных процессов в твердых, жидких
и rазовых средах [85]. Наиболее эффективной считается j-азовая
цементация, основы которой разработаны в СССР под PYKOBOk
СТВОМ И. А. Минкевича, а также rаэовая цементация с ИСПОJLЬ30-
8 СУ.llИШlII А. М. m др.
209
ванием диффузионных циклов, предложенная И. С. Козловским
и Ф. Е. Шеерманном одновременно инезависимо друr от друrа.
При цементации с использованием диффузионных ЦИКЛОВ удается
достиrать высокой интенсивности науrлероживания, автоматиче-
ски реrулировать и целенаправленно изменять уrлеродный по
тенциал печной атмосферы ( CPc == RT 1п at, rде a актив-
ность С в rазовой фазе), что обеспечивает получение заданноrо
распределения С в цементируемом слое. В качестве науrлерожи-
вающих атмосфер используются мноrокомповентные системы,
основными структурными составляющими которых являются:
СО, Н2, Н2О, СН4 И N2. Цементация протекает в соответствии со
следующей независимой системой химических реакций:
2(СО) (СО2) + [С);
(СО) + (Н2) (Н2О) + [С);
(СН4) 2(Н2) .+ [С J.
(5.16)
Результаты расчета paBHoBeCHoro состава rазовой фазы позво-
ляют сделать заключение о том, что процесс массопереноса, реали-
зуемый при rазовой цементации, лимитируется кинетикой второй
реакции (реакция водородноrо восстановления). Вклад первой
реакции системы (5.16) в суммарный поток (J) составляет 0,9 %,
а третьей 1,4 %. Математическое описание кинетики взаимодей-
ствия всей атмосферы с поверхностью сплава будет иметь следую-
ющий вид:
J == (ar a),
(5.17)
rде а активность уrлерода в поверхностном слое; коэф-
фициент перехода атомов С из атмосферы на поверхность мате-
риала.
Перенос уrлерода в зону подложки и химические реакции,
протекающие при этом по природе процессов, следует отнести к од-
ному из способов получения покрытий (пиролизу, водородному
восстановлению или ХТР). Поэтому отдельно не рассматриваем
вопросы, касающиеся теоретическоrо описания диффузионноrо
насыщения уrлеродом. Все положения теории массопереноса при
химическом осаждении покрытий из rазовой фазы справедливы и
для rазофазной цементации.
rазовая цементация малоуrлеродистых сталей (содержащих
менее 0,2 % С) проводится при температурах 920 '" 950 ОС, при
этом оптимальная концентрация уrлерода в модифицированном
слое толщиной (0,5 ... 2 мм) равна 0,8 ... 0,9 % (но не более 1,2 %).
Так как посредством диффузионноrо насыщения удается только
зафиксировать необходимый концентрационный профиль, то для
получения высокой твердости и износоустойчивости поверхност-
Horo слоя при относительно вязкой сердцевине заrотовки после
цементации подверrают за аJIке (850... 900 ОС) и низкому от-
210
пуску (180 ... 200 "С). В результате такой термообработки цeMeн:
тируем:ый слой приобретает структуру высокоуrлеродистоrо Map
тенсита или мартенсита с карбидными включениями инебольшим
количеством остаточноrо аустенита. Поверхностный слой ПОСJIе
трехступенчатой ХТО имеет твердость НRСЭ 58 ... 62, а матрица
НRСэ 25 ... 35.
Цементированные заrотовки из леrированных сталей после
закалки рекомендуется обр абатывать холодом (---...40... 70 ОС)
в течение 2 ч с последующим низким отпуском, в результате воз-
растает и износоустойчивость модифицированноrо слоя, стабили
зируются размеры деталей. Предварительная холодная пласти-
ческая деформация интенсифицирует диффузионные процессы и
позволяет достиrнуть более высоких значений концентрации С
в диффузионной зоне. Максимальный эффект упрочнения соот-
ветствует степени деформации, равной 25 %.
Цементации подверrают контактные рабочие поверхности ше-
стерен, ваJЮВ, пальцев поршней, клапанов, кулачковых шайб и
цруrих деталей. Степень упрочнения зависит от марки стали, со-
держания уrлерода в цементированном слое, rлубины цементиро-
BaHHoro слоя, прочности, вязкости, И твердости матрицы.
Для обеспечения наибольшей эффективности упрочнения дe
талей, работающих в условиях статических и динамических на-
rрузок, содержание уrлерода в поверхностном слое рекомендуется
поддерживать на уровне 0,8 ... 1,05 %. rлубину цементирован-
Horo слоя для сталей, содержащих 0,27 ... 0,34 % С, задают в пре-
делах 500... 700 мкм, а для сталей с концентрациями 0,17 ...
0,24 % С 1,0 ... 1,25 мм соответственно. Сопротивление уста-
лости деталей без концентраторов напряжений при малой rлу
бине диффузионноrо насыщения зависит от прочности сердце-
вины деталей, а при большой rлубине определяется прочностью
цементированноrо слоя. В последнем случае рекомендуется тол-
щину упрочненной зоны h доводить до ......0,2R, rде R радиус
детали. При меньших значениях h сопротивление усталости по-
вышается с увеличением прочности сердцевины. Для деталей
с концентраторами напряжений rлубина цеМентированноrо слоя
должна быть очень маленькой: h == (0,01 ... 0,02) R (чем больше
коэффициент концентрации напряжений, тем меньше оптимальная
rлубина упрочнения).
Цементацию разделяют на rазовую, жидкую и твердую !зо].
JКидкая цементация представляет собой процесс диффузионноrо
насыщения поверхностноrо слоя материала уrлеродом из жидкой
среды и осуществляется в расплаве солей с добавкой карбида
кремния (например, 75... 85 % Nа2СОз, 10... 15 % NaCl, 5...
10 % SiC). Карбид кремния реаrирует с содой с образованием сво-
бодноrо уrлерода, который диффундирует в материал. Процесс
насыщения проводится при 815 ... 850 ОС (в зависимости от со-
става стаJШ) и применяется в основном для упрочнения сталей на
малые rлубины (до 200 мкм).
S<i!
211
Под твердой цементацией понимают диффузионное насыщение
поверхностноrо слоя материала уrлеродом из твердой среды.
Такой процесс можно осуществить посредством высокотемпера
TypHoro BaKYYMHoro отжиrа заrотовок, находящихся в КОН1'ей
нере вместе с порошком уrлерода. Однако скорость диффузионных
процессов в таких системах на HeCKO ЬKO порядков ниже, чем при
rазовой и жидкой цементации. К твердой цементации относят
также процесс диффузионноrо насыщения, реализуемый Б КОН-
тейнере при совместной заrрузке обрабатываемых заrотовок и
карбюризатора (вещество, содержащее уrлерод и активатор ..
уrлекислые соли Ба, Na, К). Контейнер помещают в печь, Harpe-
тую до 950 ос. Насыщение проводят в вакууме или на воздухе.
(в последнем случае контейнер изолируют от внешней среды с по-
мощью оrнеупорной обмазки). В результате разложения актива.,
тора выделяется СО2, который вступает в реакцию с УI'леродом:
(СО2) + [С] 2(СО).
(5.18)
СО диффундирует к насыщаемой поверхности, адсорбируется на .
ней и вследствие смещения термодинамическоrо равновесия (ак-
тивности уrлерода в rазовой и твердых фазах отличаются) реак-
ция (5.18) начинает протекать в обратную сторону. Из сравнения
реакций (5.16), (5.18) следует, что описанный выше процесс пред-
ставляет собой диффузионное насыщение материала уrлеродом из
rазовой фазы и является разновидностью rазовой, а не твердой
цементации. ПО физико-химическим особенностям rазовая цемен-
тация с использованием карбюризаторов может быть отнесена
к одному из способов химическоrо осаждения из rазовой фазы,
например, способу ХТР. Химическую реакцию (реакцию Бу-
дуара) (5.18) часто используют для получения чистоrо [ра-
фита.
Цианированием называется одновременное насыщение поверх-
HocTHoro слоя стальных деталей азотом и уrлеродом. По аналоrии
с цементацией цианирование подразделяют на жидкое и rазовое,
rазовое цианирование называют нитроцементацией.
Жидкое цианирование, обеспечивающее высокую производи-
тельность, наиболее часто используют Для обработки сталей. Ero
проводят в расплавленных цианистых солях, являющихся по-
ставщиками активных атомов уrлерода и азота, например Na(CN)
ила Ca(CN)2'
Нитроцементация осуществляется следующим образом: в KOH
тейнер заrружается карбюризатор, Б состав KOToporo входят циа-
нистые и уrлекислые соли (например, З0,н 40 % K4Fe(CN)o,
10 % Nа2СОз и древесный уrоль), которые при наrревании раз
лаrаются с выделением СО2 и азота. Процесс нась!щения может
лимитироваться кинетикой химических реакций, доставкой СО2
и азота к поверхности детали или диффузией С и N в матрицу,
поэтому производительность TaKoro способа невысока.
212
Обработку заrотовок производят в среде науrлероживающих
и азотирующих rазов (напр имер, аммиак 2 ... 6 % с пропаном или
светильным rазом).
Основными характеристиками физико-химическоrо состояния
упрочненноrо при цианировании поверхностноrо слоя явля ся
твердость, толщина, а также зафиксированные значения концен-
траций уrлерода и азота. На эти характеристики особое влияние
оказывает температура процесса (при повышении температуры
содержание уrлерода в поверхностном слое растет, а при ее сни-
жении увеличивается концентрация азота), Так как цианирова..
ние является по сути дела суперпозицией цементации и азотиро-
вания, то можно сказать, что при высокой температуре процесс
больше приближается к цементации, а при низкой к азотиро-
ванию, поэтому цианирование разделяют на высокотемператур-
ное (800 ... 950 ОС) и низкотемпературное (500 ... 600 ОС). Послед-
нему подверrа режущий инструмент из быстрорежущей стаJIИ
(фрезы, метчики, cbep-1Iа, зенкеры), а также уrлеродистые стали.
Сущность процесса цианирования уrлеродистых сталей состоит
в насыщении стали азотом и уrлеродом , которое осуществляется
в цианистых солях (40 % KCN + 60 % NaCN) при пропускании
cyxoro воздуха. В результате такой обработки, которая реали-
зуется при 570 ОС в течение 0,5 ... 3 ч, на поверхности детали фор-
мируется тонкий (10... 15 мкм) карбонитридный слой Fез(СN),
менее хрупкий, чем чистые карбиды и нитриды (FезС и FезN) и
в то же время обладающий хорошим сопротивлением износу.
Между этим слоем и матрицей образуется подслой азотистоrо
твердоrо феррита (на леrированных сталях твердость достиrает
600 ... 1000 HV) толщиной 200 ... 500 мкм,
Высокотемпературное цианирование применяют для обработки
простых и леrированных средне- и низкоуrлеродистых сталей.
Насыщение обычно проводят в расплавленных солях следующих
составов: 40 % NaCN, 40 % NaCI, 20 % Nа2СОз (температура
расплава 820 ... 850 ОС) или 6 % NaCN, 80 % BaCI2, 14 % NaCI
(900 ... 950 ОС). Увеличение содержания цианистых солей способ-
ствует повышению концентрации С и N в поверхностном слое.
Толщина модифицированной зоны б зависит от состава распла-
ва, температуры и продолжительности 'V процесса. Средняя
скорость высокотемпературной нитроцементации составляет 80 ...
100 мкм/ч. Для конструкционных сталей & == 15 '" 500 мкм,
c;l твердость превышает НRСэ 58 (для быстрорежущих сталей
10 ... 60 мкм И НRСэ 60 ... 72 соответственно). Цианированный
слой по сравнению с цементированным обладает большей твер-
достью и более высоким сопротивлением износу и коррозии.
Цианирование в ряде случае повышает также сопротивление
усталости. Более низкая температура насыщения и меньшая
про,должительность не приводят к росту зерен, как это наблю-
дается при цементации, поэтому после цианирования заrотовки
подверrают закалке в масло или в воду и низкому отпуску при
213
150 ... 170 ос в течение 3 ч. Для повышения износостойкости и KOH
тактной прочности в ряде случаев целесообразно после цемента-
ции или цианирования дополнительно провести деформационное
упрочнение роликами, шариками или дробеструйной обработкоЙ.
Алитирование процесс поверхностноrо насыщения MaTe
риала алюминием посредством ero диффузии из внешней среды.
Применяют несколько способов алитирования, которые можно
классифицировать следующим образом: 1) насыщение из распла..
вов солей; 2) электрофоретическое нанесение насыщающих co
ставов; 3) насыщение из паровой фазы в вакууме; 4) насыщение
из rазовой фазы.
Для реализации процесса насыщения из расплавов солей
используются два способа нанесения покрытий: химическое осаж-
дение металлов из растворов и электрохимический способ,
В первом способе при обработке жаропрочных никелевых сплавов
применяют расплав тройной эвтектики, содержащей (50 % ВаС12.
36 % КС! и 14 % NaCI), в который засыпают порошки алюминия
и железа. Насыщающий раСПJIав находится в металлической
ванне, снабженной мешалкой, которая вращается с частотой
100 ... 150 мин l (этим обеспечивается равномерное распределение
порошковой смеси в расплаве). Процесс насыщения проводится
в течение 2 '" 6 ч при 570 ... 630 ОС, что позволяет достиrать тол
щины модифицированноrо слоя 30 ... 40 мкм С концентрацией
алюминия во внешней зоне 62... 69 %.
Электролизный вариант диффузионноrо насыщения реализуется
в электролитах системы ВаСI2 АIFз NаF, заrружаемых в rpa-
фитовый тиrель, который одновременно является анодом. Для
питания расплава используют алюмомедный сплав: Катодом
является обрабатываемая заrотовка, которая поrружается в рас-
плав солей при 750 ... 850 ос и выдерживается в нем 10 ... 50 мин
при плотности тока 2.10 3 ... 2.10 l AjCM2. За это время на по-
верхности заrотовки формируется покрытие с шероховатостью
Ra == 1,6 ... 1,25 мкм и концентрацией алюминия во внешней
зоне, равной 37 '" 42 %.
Процесс насыщения заключается в следующем: 1) заrотовку
пorружают в специальную суспензию, содержащую алюминиевый
порошок; 2) при пропускании через суспензию постоянноrо элек-
трическоtо тока на заrотовке, являющейся анодом, происходит
осаждение алюминия и друrих элементов; 3) изменение электро-
сопротивления в результате формирования модифицированноrо
слоя приводит к выравниванию толщины осадка на различных
участках поверхности; 4) после получения покрытия толщиной
от 10 мкм ДО 3 мм заrотовку подверrают диффузионному отжиrу
при 1040 ... 1100 Ос. Высокая скорость и равномерность осажде-
ния, точность реrулирования толщины диффузионноrо слоя,
возможность формирования мноrокомпонентных систем на основе
алюминия способствуют дальнейшему развитию способа и позво-
ляют сделать заключение о ero перспективности.
214
Насыщение из паровой фазы основано На принципах физиче
cKoro метода получения покрытий и может быть реаJшзовано при
достаточно высоких температурах обрабатываемой детали (Т >
> 1000 ОС) в вакууме. Различают вакуумное насыщение А1 и Cr
fхромоалитирование) из rранул сплава Al Cr (бесконтактный
способ) и из смеси порошков А1 и Cr (контактный способ). По-
скольку температура при насыщении из паровой фазы высока
(1100 ... 1220 ОС), термический цикл процесса совмещают с за
кал кой жаропрочноrо сплава (если этоrо сделать не удается,
проводят специальную термообработку). При насыщении из па-
ровой фазы в течение 1 ... 4 ч удается сформировать диффузион
ный слой толщиной 1 О ... 100 мкм при концентрациях элементов
во внешней зоне, равных СА! == 18 ... 25 % и ССт == 8 ... 10 %.
Наиболее часто в промышленности производят на"сыщение
поверхностных слоев алюминием из rазовой фазы посредством
химических транспортных реакций. В качестве сырья исполь
зуют порошковые смеси, составленные из А1 или сплавов А1
с Ре, Аl с Cr, АI с Si (активная составляющая), А12Оз (инертный
наполнитель) и rалоrенидноrо активатора NH4Cl. При HarpeBe
контейнера до 500 ... 1200 ОС, содержащеrо насыщающую смесь
и обрабатываемые заrотовки, в системе протекают следующие
реакции: "
[NH4C1] :;;:z (NНз) + (HCl);
2 (NНз) :;;:z 2 (N) + 3 (Н2).
Продукты разложения активатора вытесняют из контейнера
воздух и частично восстанавливают оксиды на поверхности сырья
и насыщаемоrо сплава. Хлористый водород взаимодействует
с А1 с образованием AlC12 и A1Cl. Последние диффундируют
к насыщаемой поверхности, на которой протекают реакции, при
водящие к образованию соответствующих алюминидов и хлорида
высшей валентности:
3 (AlC12) + n[Ni] == 2 (АlСlз) + [NinA1];
3(A1Cl) + 2n[Ni] == (АlС1з) + 2 [NinA1].
Десорбированный с поверхности подложки АlСlз возвращается
в зону сырья, замыкая цикл ХТР.
Такое описание массопереноса, предложенное на основании
результатов термодинамических расчетов Е. r. Ивановым, ка-
чественно совпадает с данными, полученными при анализе равно-
BecHoro состава rазовой фазы в системе N2 H2 C12 Al Ni
(35]. Для выявления ,механизмов транспорта в сложных смесях
(Al Pe и A1 Si) были изучены системы Al C1, Fe CI, Si C1
(рис. 5.18). Результаты расчетов позволили определить как основ-
ные транспортирующие соединения, так и транспортирующие
areHTbI (АIСlз и A1C12, FеСlз и FeCl2, SiCl4 и SiCl2).
Математическое рассмотрение процесса транспортирования в от-
крытой системе (диффузионное насыщение Al, Cr, Si и друrими
215
Lg Р
8
5 (е СLз FeCLz CLz
2
1
500
Lg Р
5 AL СLз
2
т,к
Рис. 5.18. Равновесный состав rазовой фазы в системах:
а Ре Cl; б A\ C\; в SI CI
элементами из смеси порошков с активаторами) провести очень
сложно, поскольку в течение технолоrическоrо цикла (2 .,. 6 "1)
по мере Врlработки сырья неоднократно может происходить смена
лимитирующей стадии в направлении: поверхностные явления
на подложке -+ абсорбция элементов покрытия -+ доставка транс-
портирующих соединений в зону осаждения -+ поверхностные
явления на сырье. Это подтверждается мноrочисленными экспери-
ментальными данными по кинетике роста аJIЮМИНИДНЫХ покры-
тий [96 J.
Свойства алитированных жаропрочных сплавов подробно опи-
саны в моноrрафии Ю. А. Тамарина [96], поэтому приведем
только не1<оторые результаты наших исследований, посвященных
изучению влияния химическоrо состава и СФС, алитированных
способом хтр поверхностных слоев на жаростойкость обрабо-
, танных д'еталей.
Пред етом исследований являлись алюминидные покрыти я
на жаропрочных никелевых сплавах ЖС6У и ВЖЛ12У, полу-
ченные насыщением из порошковой смеси A1 Fe с rалоrенидным
активатором. После насыщения и диффузионноrо отжиrа на
образцах обоих сплавов было сформировано покрытие из двух
зон (рис. 5.19). Внешняя зона толщиной ОI}ОЛО 30 мкм, по данным
РСА, представляет собоЙ фазу NiAI. Средний химический состав
сплава в этой зоне, определенный методом РМА, лриведен в
табл. 5.2.
Ошибка в определении концентраций Ti и W в обоих сплавах,
а также Ре в алитированном сплаве ВЖЛ 12У состав1ляет ......0' 1 %,
5.2. Состав модифицированноrо поверхиостиоrо слоя
после алитирования
Состав. %
Исходны!l сплав I I I I I I I
N\ А! Со Cr Тl Ре W МО
ЖС6У 57 24 6 2 0,2 6 0,3 2,5
ВЖЛ12У 56 23 9 3 1,5 0,5 0,5 6,5
.
216
для остальных элементов не
более r %. Содержание Мо оп-
ределялось из условия нор-
мирования концентрации.
Внутренняя зона толщиной
около '20 мкм имеет мноrофаз-
ную структуру. Содержание
Ni и Аl в ней ниже, а Со, Cr,
Ti и туrоплавких элементов вы-
ше, чем во внешней зоне. Внут-
ренняя зона содержит алюми-
'ниды И фазы, боrатые хромом
(карбиды Cr), а также Tyro-
плавкими элементами.
Результаты проведенных исследований подтверждают справед-
ливость механизма образования алюминидных покрытий из сме-
сей средней активности [96 J. Алюминий, поrлощаемый из насы-
щающей среды, в основном, идет на образование (в результате
взаимодействия с никелем, диффундирующим из сплава) внешней
зоны покрытия. Скорость диффузии Cr, Со и туrоплавких элемен-
тов ниже, чем скорость диффузии Ni, поэтому внутренняя зона
110КРЫТИЯ формируется за счет ухода части никеля, а остающиеся
в ней Сс, Со, W, Мо вследствие малой растворимости валюминидах
образуют новые фазы.
Покрытие на сплаве ЖС6У отличается от покрытия на сплаве
ВЖЛ12У значительно более высокой концентрацией W во вну-
треннеЙ зоне и, как следствие, большим содержанием в неЙ фазы
на основе W. В то же время запас алюминия во внешнем слое и
во всем покрытии на обоих сплавах одинаков и равен соответ-
ственно 40 и 60 r/M2,
Особенности химическоrо состава и СФС покрытиЙ обуслов-
лены различием элементноrо состава сплавов ЖС6У и ВЖЛ12У,
а также rюрошковых смесеЙ Pe A!, используемых при алитиро-
ванин.
40
2
20
О 20 40 h,I1KI1
Рис. 5.19. Распределение Ni (1) и Аl (2)
в аJlЮМИНИДНОМ покрытии на сплаве
ВЖЛ12У
,....,
'"
о)
I
58
I
54 20,0
I
56
Рис. 5.20. Фраrменты дифрактоrрамм
после испытания на жаростойкость али-
тированных сплавов: а ЖС6У; б
ВЖЛ12У:
1 . лииия ОКСИДа CG А[.О,; 2 лииия
фазы Ni,AJ; 3 лииия фазы NiAI (peka. -
излучеиие)
211
По данным рентrеноrрафическоrо исследования жаростойкость
(при 1000 ос в течение 300 ч на воздухе) алитированноrо сплава
ВЖЛ12У (рис. 5.20) выше, чем алитированноrо сплава ЖС6У.
Высокотемпературное окисление приводит к образованию в по-
верхностном слое покрытия на сплаве ЖС6У фаз NiзАl, a-А12Оз
и в небольшом количестве NiA1204. В поверхностном слое покры-
тия на сплаве ВЖЛ12У, кроме указанных фаз, обнаружен также
оксид ТЮ2.
По данным металлоrрафическоrо исследования и РМА окисле-
ние вдоль поверхности образцов идет неравномерно. После 300 ч
выдержки при 1000 ос оксиды проникают в алитированный сплав
ЖС6У на rлубину до 3 мкм, В алитированный сплав ВЖЛ12У
на rлубину до 10 мкм. Оксидная пленка на сплаве ЖС6У содер-
жит А1, Ni, Fe, Со, Cr, а на сплаве ВЖЛ12У Аl, Ni, Со, Тi,
Cr. Содержание Аl в фазе NiAl в обоих сплавах после испытания
около 20 %, что близко к минимальной концентрации А1 в этой
фазе. Фаза Ni3A1 образуется непосредс:rвенно под оксидами,
а также внутри внешнеrо слоя. Кроме Toro, слой данной фазы
«растет» непосредственно за слоем NiAl.
Более низкая жаростойкость алитированноrо сплава ВЖЛ12У
обусловлена образованием фазы Ti02, рост которой разрушает
защитный слой из оксида a-А12Оз, Кроме Toro, повышенное со-
держание во внутренней зоне покрытия на сплаве ЖС6У фазы
на основе W препятствует диффузии А1 в защищаемый сплав, что
повышает жаростойкость алитированных образцов.
Посредством химико-термической обработки, в частности с по-
мощью диффузионноrо насыщения, с успехом осуществляют бори-
рование, силицирование, титанирование-, хромирование и т. д.
поверхностных слоев материалов, что позволяет качественно из-
менять эксплуатационные свойства деталей машин. Модифициро-
ванные в результате ХТО поверхностные слои называют диффу-
зионными покрытиями [51, 96 J. Такое заключ<:!ние вполне обос-
нованно, поскольку в результате насыщения, реализуемоrо обычно
методами нанесения покрытий, образуется поверхностный слой,
характеризующийся всеми отличительными признаками покрытий
(качественное и количественное изменение химическоrо состава
СФС, наличие rраницы раздела, объемные изменения и т. д.).
5.9. ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА
Интенсивное развитие лазерной технолоrии обусловлено ши-
рокими возможностями обработки металлов с помощью пучков
лазерноrо излучения и совершенным оборудованием.
В зависимости от arperaTHoro состояния активной среды раз-
личают твердотельные и rазовые лазеры. Лазеры подразделяют
также на импульсные и непрерывноrо действия. Для технолоrиче-
ских целей важны следующие параметры лазерноrо излучения:
монохроматичность и KorepeHTHocTb; интенсивность, измеряемая
плотностью тока в непрерывном режиме q или энерrией Е импульса
- ,
218
в импуль\сном режиме; длина волны; уrловая расходимость (обычно
0,01 ... 0,1 О); время 't' воздействия на металл. Значение 't' в им-
пульсном режиме пор ядка 1 0 9 ... 1 О с, в непрерывном режиме
'!: DU/VCH' rде Dп диаметр пучка на образце; VC!{ скорость
сканирования пучка по образцу.
В зависимости от параметров q и 't' лазерную обработку (ЛО)
используют для различных целей. Ниже рассмотрим применение
лазеров для обработки поверхностноrо слоя металлических Ma
териалов. О друrих областях использования ЛО мощно узнать
из работ [17, 92 J.
Взаимодействие лазерноrо излучения с поверхностным слоем
MCT3.lI.Тla сводится, прежде Bcero, к ero разоrреву вплоть до рас-
плавления и испарения. Но по сравнению с традиционными
методами термической и химико-термической обработок лазерная
обработка имеет ряд преимуществ, а именно, возможность ло-
кальной обработки заданных участков поверхности заrотовки
и достижение очень высоких скоростей HarpeBa и ОХJIаждения
( 104 К/с и выше). Это позволяет получать при затвердевании
металла различные метастабильные структуры, включая и аморф-
ную.
Теплофизика ЛО рассмотрена в работах [16, 92], а вопросы,
посвященные исследованию влияния ЛО на физико-химическое
состояние поверхностноrо слоя металлов и сплавов и их эксплуа-
тационные свойства, освещаются в обзорах [57, 110 J.
ЛО без оплавления целесообразно применять для изменения
СФС поверхностноrо слоя металла, в котором протекают фазовые
превращения в твердом состоянии. Такую обработку в основном
используют для упрочнения поверхностноrо слоя. Упрочнение
достиrается в результате формирования структуры с высокой
концентрацией дефектов кристаллическоrо строения (например,
мартенсита в сталях).
Известны мноrочисленные работы по поверхностному упрочне
ПИЮ уrлеродистых ста.тrей и чуrунов путем ЛО. Лазерная закалка
технически чистоrо железа и уrлеродистых сталей по сравнению
с обычной позволяет получить более твердый поверхностный слой
и, как следствие, повысить износостойкость материала [115].
Это обусловлено более высокой скоростью охлаждения при ЛО,
чем при обычной закалке. После по уrлеродистых сталей без
ОПJlавлени'я повышается их сопротивление усталости (на 70 ...
80 % по сравнению с обычноЙ закалкой), однако ударная вязкость
IIРИ этом снижается, особенно у высокоуrлеродистых сталей [115 J.
rлубина термоупрочненноrо при ЛО слоя обычно имеет поря-
док 102 .... 103 мкм. В закаленных мартенситных сталях под упроч-
венным слоем располаrается разупрочненный. Поскольку при
ЛО максимальная температура разоrрева наружноrо слоя на-
Mlloro выше температуры BHYTpeHHero слоя, то упрочнение на-
ружноrо слоя есть результат закалки, а разупрочнение внутрен-
пеrо слоя является следствием отпуска стали.
219
ЛО без оплавления не изменяет шероховатости поверхности и
практически не меняет распределения леrирующих компонентов
в поверхностном слое. Большие скорости HarpeBa и охлаждения
при водят к значительным термическим напряжениям в поверх-
ностном слое, поэтому в металле после ЛО фиксируются высокие
макронапр яжения.
ЛО с оплавлением приводит к более значительным изменениям
физико-химическоrо состояния поверхностноrо слоя металла. На
поверхности материала возникает область расплава, rлубина
которой зависит от интенсивности и длительности воздействия
лазером и может достиrать величины порядка 103 мкм, Под зоной
расплава находится зона термическоrо влияния, в которой ме-
талл во время ЛО находится в твердом состоянии,
Если металлу не свойственны фазовые превращения в твердом
состоянии, то после ЛО с оплавлением обычно наблюдается из-
мельчение зерен и рост плотности дефекто решетки, что обуслов
лено соответственно высокой скоростью охлаlКдения и действием
больших термических напряжений при ЛО. После ЛО мойо-
кристаллических образцов на их поверхности формируется поли-
кристаллический слой.
При высоких скоростях охлаждения кристаллизация I про-
исходит В неравновесных условиях. В сталях и титановых спла-
вах при ЛО протекают мартенситные превращения, ведущие
к формированию высоkодисперсных и искаженных структур
[124 J. После ло с оплавлением малоуrлеродистая сталь, имеющая
в объеме ферритоперлитную структуру, в наружном слое тол-
щиной 10 мкм имела мартенситную структуру, а под ним распо-
лаrалась зона термическоrо влияния толщиной до 100 мкм С -пе-
реходной структурой. При этом наблюдался рост не только микро-
твердости, но и предела выносливости стали (приблизителыю
на ,30 %) [124 J.
В ряде случаев высокие скорости охлаждения при ЛО с оплав-
лением позволяют получить материалы с аморфной структурой
в поверхностном слое (некоторые сплавы на основе Ре, Al, Си).
ЛО позволила аморфизировать поверхностный слой заrотовок
из жаропрочных сплавов на основе Ре и Со, в результате чеrо
резко повысил ась их коррозионная стойкость. Однако большин-
ство сплавов с помощью ЛО пока еще не удается перевести в аморф-
ное состояние, поэтому предлаrается первоначально на поверх-
ность заrотовок наносить покрытия, которые леrко аморфизи-
руются, а затем уже проводить ЛО.
Скорость охлаждения при ло необходимо подобрать такую,
при которой можно добиться измельчения первичных карбидов
в инструментальных сталях или подавить образование вредныХ
выделений карбидной фазы по rраницам зерен в коррозионно-
стойких сталях. В результате этоrо резко снижается склонность
данной стали к межкристаллитной коррозии и повышается сопро-
тивление КОРР9ЗИОННОМУ р?стрескиванию под наПРЯlКением.
220
Оплавление TOHKoro поверхностноrо слоя при ЛО обеспечи-
вает возможность поверхностноrо леrирования материалов через
жидкую фазу. При этом леrирующий элемент наносится на по-
верхность заrотовки в виде порошка, пасты и друrих материалов
или подается в зону обработки в rазообразном состоянии. Затем
проводится оплавление, при котором поверхностный слой металла
насыщается леrирующим элементом. Скорость массопереноса
леrирующеrо элемента в жидкой фазе велика, поэтому леrирова-
ние металла наблюдается практически на всю rлубину проплава.
Леrирование железа и сталей производят уrлеродом, никелем,
титаном, хромом, молибденом и друrими элементами. Проведено
лазерное леrирование титановых сплавов молибденом и нихромом.
Известны работы по rазовому азотированию сталей и титановых
сплавов путем ЛО, при этом в зону обработки подавались в rазо-
образном состоянии азот или а,ммиак.
Лазерное леrирование позволяет ВО мноrих случаях повысить
твердость поверхностноrо слоя металла и ero коррозионную стой-
кость, что обусловлено изменением химическоrо состава и струк-
турно-фазовоrо состояния материала в поверхностном слое.
ЛО присущи и некоторые недостатки. Так, например, при
ЛО с оплавлением обычно повышается шероховатость поверхности.
Высокие термические напряжения MorYT привести к деформации
детали [29 J. Кроме Toro, температура поверхностноrо слоя ме-
талла в центре лазерноrо пучка значительно выше, чем на пери-
ферии (при ЛО стали в центре зоны обработки температура разо-
rpeBa может быть выше темпера'туры Ас" на периферии ниже),
поэтому в центральной зоне при ЛО произойдет закалка, а на
периферии лишь отпуск стали. Вследствие неоднородности
распределения температуры при сканировании пучка по поверх-
ности заrотовки также будет наблюдаться неоднородностЬ струк-
турно-фазовоrо состояния по поверхности и, как следствие, не-
равномерность упрочнения и неравномерность распределения
остаточных напряжений. Поэтому при ЛО важной проблемой
является выбор параметров обработки. Это зависит от цели об-
работки, физико-химическоrо состояния материала, ero тепло-
физических характеристик. В заключение отметим, что внедрение
ЛО на промышленных предприятиях (в основном пока для повы-
шения стойкости режущеrо и штамповоrО инструмента) дает зна-
чительный экономический эффект [1з, 110 J.
5.10. ИОННОЕ ЛErИРОВАНИЕ
Ионное леrирование * представляет собой процесс внедрения
(имплантации) леrирующеrо элемента в поверхностный слой
детали в результате ее бомбардировки высокоэнерrетическими
ионами. Ионное леrирование широко применяют в промышлен-
* в литературе ионное леrирование называют также ионной имплантацией.
221
ности для леrирования полупроводниковых материалов. В настоя-
щее время ведутся исследования по разработке и внедрению Tex
нолоrии ионноrо леrирования деталей из метаЛЛОЕ, керамики,
пластмасс [40, 41].
Взаимодействие имплантируемоrо иона * с частицами твердоrо
вещества (электронами, ионами, атомами) приводит к постепен
'ному СНИ,жению ero кинетической энерrии, т. е. к торможению.
Пробеr иона (пройденный путь) R в твердом теле зависит от ero
начальной энерrии Е1 и массы, а также от характеристик мате-
риала обрабатываемой заrотовки. Основы теории пробеrов ИЗJЮ-
жены в работах [1, 40].
ВзаимодеЙствие ИМП,lIантируемых ионов с частицами твердоrо
тела носит статистический характер, поэтому распределение ле-
rирующеrо элемента по r лубине описывается непрерывноЙ функ-
цией Р (Е1, R), [де Р плотность вероятности Toro, что ион
с энерrией Е1 остановится после прохождения I;!УТИ R. Во МН:ОI'ИХ
случаях средний пробеr ионов в материалах с 'аморфной или по-
ликристаллической мелкозернистой структурой можно оценить
по формуле
R....., 13E1
Р
1 + М2/М1
Z2/3
I
, (5.19)
[де Мl' Zl массовое число и атомный номер иона; М2 и p
массовое число атомов и плотность материала мишени; R про-
беr, нм.
Для практических целей' важно определить величину проек-
ции пробеrа на направление первоначальноrо движения иона
(проекционный пробеr Rp). Отношение' R к Йр описывается
уравнением:
! == 1 + ь 2 ,
Rp 1
(5.20)
rде Ь - параметр, зависящий от Е1 и R (в первом приближении
можно считать Ь == ]/3). Значение Rp обычно невелико. При
Е1 "...., 1 МэВ величина R р 1 мкм.
Распределение ионов по rлубине также характеризуется сред-
ним квадратическим разбросом пробеrа ARp kRp, I'де k ==
== const.
В первом приближении распределение внедренных в твердое
тело ионов по rлубине (концентрационный профиль) можно опи-
сать функцией raycca
N (h) Д { (h Rp)2} (521)
- V2", t:..Rp ехр 2 Ы ' .
* Использование термина «ион» В данном случае достаточно условно, по-'
скольку проникающие в твердое тело частицы быстро становятся нейтраЛсЬНЫМИ.
222
rде Д доза облучения, т. е. количество имплантированных
ионов на единицу площади поверхности. Максимум распределе
ния (5.21)
N тах == N (Rp) == v д
2п I1Rp
соответствует величине Rp, а значение N (h) снижается в 10 раз
по сравнению с N тах на rлубинах h == Rp :f: I1Rp.
Отметим, что при выводе выражений (5.19) (5.21) не учиты
вались диффузия атомов, а также распыление материала мишени
при облучении.
Распределение концентраций имплантированноrо элемента за.
висит прежде Bcero от структуры материала обрабатываемой .за.
rотовки (аморфной, поликристаллической, монокристаллической)
(рис. 5.21). В решетке кристалла существуют такие направления,
вдоль которых атомы отсутствуют, т. е. наблюдаются «каналы»,
оrраниченные параллельными цепочками атомов (см. рис. 1.1).
Рассеяние и торможение ионов при движении вдоль этих каналов
незначительно, поэтому имплантируемые элементы проникают
в твердое тело на rлубину Rmax, большую, чем Rp (см. рис. 5.21).
Этот процесс называется каналированием ионов. Максимальный
пробеr Rmax примерно на порядок превышает величину Rp. Для
реализации эффекта каналирования уrол между направлением
падения ионов и осью канала должен быть меньше критическоrо 1.РИР'
Обычно величины 1.Рир лежат в пределах 3 ... 6°. Отметим, что
пробеr . ионов в монокристаллах снижается с повышением темпе-
ратуры и дозы облучения.
Ионное леrирование приводит к увеличению концентрации
дефектов (межузельных атомов и др.) в по13ерхностном слое облу-
чаемоrо материала. Возникающие при этом дефекты решетки
принято называть радиационными. В процессе ионноrо леrирова-
ния в металле может протекать радиационно-стимулируемая
диффузия, основной причиной которой является увеличение
концентрации вакансий nv, причем значение предэкспоненциаль-
Horo множителя в выражениях для коэффициента диффузии
пропорционально nv. Явление ускоренной диффузии при ил
и последующем низкотемпера
турном отжиrе можно исполь-
зовать для увеличения толщины
леrированноrо слоя [1 J.
При больших дозах облуче-
ния наблюдается аморфизация
материала в поверхностном
слое заrотовки, что обуслов-
лено высокой концентрацией
радиационных дефектов.
Ионное леrирование сопро-
вождается распылением мате-
с
2
[{р
Rтax
h
Рис. 5.21. Распределение концентрации
имплантированноrо 9лемента:
1 для аморфноrо н полнкрнсталлнче-
CKoro материалов; 2 для монокристалла
223
2
Рис. 5.22, ,Схема установкн для ионноrо
леrировання
7
6
5 '+ 3 2
риала мишени. Это приводит к изменению распределения импланти-
pOBaHHoro элемента по rлубине по сравнению с концентрационным
профилем, описываемым'выражением (5.21). С ростом дозы облу-
чения максимум концентрации смещается в сторону поверхности
заrотовки. Распыление вызывает изменение топоrрафии (рельефа)
поверхности обрабатывемойй заrотовки в основном за счет страв-
ЛИ,В'aIШЯ вершин микровыступов:' В ряде случаев после ионноrо
леrирования наблюдается заметное снижение ш роховатости.
Ионная бомбардировка, так же, как и облучение электронами,
приводит к HarpeBY металла. Температура HarpeBa зависит от
плотности ионноrо тока, энерrии --ионов и теплофизических харак-
теристик материала мишени. HarpeB поверхностноrо слоя детали
можно использовать для увеличения толщины леrированноrо слоя.
Ионно-лучевая обработка в ряде случаев сопровождается «рас-
пуханием» материала вследствие образования вакансионн'ЫХ мик-
ропор или rазовых пузырьков. Последнее наблюдается при имплан-
тации ионов Не, Ar, Хе и друrих rазов.
Преимущество ионноrо леrирования в том, что процесс дает
возможность получать метастабильные фазы и пересыщенные
. твердые растворы, которые не удается получить при друrих
методах обработки поверхностноrо слоя заrотовки.
Ион но-лучевая установка для ионноrо леrирования (рис. 5.22)
содержит источник ионов 5, систему вытяrивания 6, включающую
маrнит 1, анод 2 и катод-нить накала 4, сепаратор 7, линейный
ускоритель 10, систему электростатическоrо отклонения ионноrо
пучка 9 и приемную камеру 8. Ионное леrирование проводят
Б ВЫСОКом вакууме.
2241
Источники ионов отличаются режимом работы (стационарным
или импульсным), состоянием (rазообразным, жидким или твер-
дым) ионизируемоrо рабочеrо вещества, плотностью тока и энер-
rией ионов на выходе из источника. В установке предусмотрен
ввод в камеру источника ионов 5 с помощью вентиля 3 rазообрэ.з-
Horo рабочеrо вещества. Испускаемые нитью накала 4 э.лектроны,
взаимодействуя с атомами rаза, ионизируют их. Вытяrиваемый
из источника 5 поток ионов обычно неоднороден по составу.
Маrнитный масс-сепаратор 7 позволяет выделить ионы с опре-
деленной массой и зарядом, после чеrо «очищенный» пучок уско-
ряется до заданной энерrии и фокусируется. С помощью системы .9
можно осуществлять сканирование пучка ионов по поверхности
обрабатываемой заrотовки, расположенной в приемной камере 8.
Достоинствами ионно-лучевой обработки являются 1) универ"
сальность (в зависимости от величины энерrии ионов можно
проводить леrирование металла, очистку ero поверхности от
заrрязнений, распыление тонких слоев OCHoBHoro материала,
осаждение покрытий из ИОlIНЫХ пучков); 2) возможность леrи-
рования любыми химическими элементами; 3) локальность об-
работки (с использованием защитных масок или узких ионных
пучков); 4) высокая химическая чистота; 5) возможность полной
автоматизации.
Ионное леrирование позволяет улучшить следующие эксплуа-
тационные свойства: сопротивление химической и электрохимиче-
ской коррозии, усталостную прочность, износостойкость, радиа-
ционную стойкость [40, 741.
Совместно с сотрудниками ИАЭ им. И. В. Курчатова прове-
дено исследование влияния ионноrо леrирования на физико-хими-
чес кое состояние и эксплуатационные свойства жаропрочноrо
сплава ХН77ТЮ. *
Образ-цы для исследования изrотовлялись из прутка. После
окончательной механической обработки они подверrались вибро-
абразивному полированию. UlepoxoBaTocTb поверхности образцов
до ионноrо леrирования Ra == 0,50 ... 0,66 мкм. Ионное леrирова-
ние осуществлялось на установке ИЛУ -4 одним элементом (N,
Хе, Мо, Ne, Ar) или несколькими элементами (Мо + С, Мо + Cr,
А! + У). Режим ионноrо леrирования для большинства образцов
был следующий: энерrия ионов Е == 40 кэВ, плотность ионноrо
тока j == 10 ... 20 мкА/см2, доза облучения Д == 5.1016
1017 ион/ см2.
Химический состав и толщина леrированноrо слоя определя-
лись методом ЭОс. Результаты исследования показывают, что
ИЛ по принятым режимам обеспечивает в зависимости от атомной
массы импланированноrо элемента леrирование на rлубину от
* В работе прииимали участие д_р ф.-м, иаук М. и. ryceBa, инж. Б. r. Вла-
димиров, А. И, rаращеико, Ю. А. Никольский, К. М. Пастухов, В. И. Степан-
чиков, А. Э. Стрыrии, В. В. Шор ии,.
225
hил ,..." 0,01 мкм (для тяжелых ионов Мо, У) до hил ,..." 1 мкм
'(для леrких ионов N). Максимальная концентрация внед-
ренных атомов составляет при этом от 4 % (для N) до 30 %
(для Мо).
Микротверцость поверхностноrо слоя образцов, измеренная
на приборе ПМТ -3 с наrрузкой 0,1 Н, возрастает после ионноrо
леrирования на 15 ... 30 %. Толщина слоя с повышенной микро-
твердостью, определенная с помощью измерения вдоль поверх-
ности косых шлифов с уrлом наклона 30' (при наrрузке 0,05 Н),
соизмерима по величине с hил. Ионное леrирование приводит
к изменению фотостимулированной эмиссии экзоэлектронов с по-
верхности образцов. Отметим, что в отличие от большинства
сталей, сплав ХН77ТЮ. обладает более высокой структурной
стабильностью при тепловом воздействии.
Испытания на усталость проводили в воздушной среДе на
маrнитострикционном стенде с частотой наrружения 3200 rц
при температуре HarpeBa образцов 7000с. Анализ результатов
испытаний показал, что в ряде случаев ионное леrирование
позволяет повысить сопротивление усталости. [(иклическая дол-
rовечность обр азцов после леrирования азотом, ксеноном или'
молибденом с уrлеродом возросла на порядок (по сравнению
с исходным состоянием).
Ионная имплантация азота и уrлерода в стали, а также в тита-
, новые сплавы приводит к повышению их сопротивления усталости
при комнатной температуре [40, 110]. Предполаrается, что ИОI-IНО-
леrированный слой затрудняет рост трещины в направлении
поверхности образца, что может быть обусловлено изменением
фазовоrо состава материала, в частности, выделением дисперсных
карбидов или нитридов.
Испытания на длительную прочность проводили в воздушной
среде при 700 ос с растяrивающим напряжением (J == 440 -МПа.
Установлено, что ИЛ азотом и ксеноном заметно повышает дол-
rовечность, однако практически не меняет характеристики пластич-
ности (6, 1.\') образцов. Время до разрушения 't'p сплава в исходном
сqстоянии составляло 44::1:: 12 ч, а после ионноrо леrирования
азотом и ксеноном соответственно 82 ::1:: 8 и 76::1:: 18 ч. Ионная
имплантация алюминия и алюминия с иттрием практически не
оказывала влияния на механические свойства сплава.
Кратковременная прочность образцов при 20 и 700 ос после
ионноrо леrирования не изменялась.
>Каростойкость сплава до и после имплантации определялась
весовым методом по увеличению массы образцов (rOCT 6130 71)
после выдержки на воздухе при 800 ос -в течение 40 и 100 ч. Для
количественной оценки жаростойкости рассчитывалась величина
п п
l "",, Aт,
g == n g,
n 8,'
i l i l
(5.22)
226
rде 6.т; увеличение массы i ro образца; n число образцов
в серии; s; ШIOщадь ero поверхности.
Результаты исследования показали, что ионное леrирование
азотом приводит к росту жаростойкости сплава: после 100 ч
испытания значение glOO снизилось от 0,340 ::1:: 0,019 до 0,286 ::1::
::1:: 0,027 Mr/cM2. Леrирование молибденом с уrлеродом ухудшает
жаростойкость glOO == 0,392 ::1:: 0,021 Mr/cM2, в остальных слу-
чаях жаростойкость практически не изменилась.
Отметим; что с помощью ионноrо леrирования можно улучшить
жаростойкость титана, никеля, меди и коррозионно-стойких ста-
лей [40, 110 J.
Таким образом, ионное леrирование является перспективным
способом обработки деталей, позволяющим повышать их эксплу
атационные свойства.
5.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Опыт эксплуатации различных машин показал, что работо-
способность детали, узла и машины в целом существенно ЗUlШся.т
от поверхностноrо слоя детали.
В зависимости от условий эксплуатации (наrрузки, темпера-
туры HarpeBa, среды и продолжительности воздействия) задаются
различные требования к поверхностному слою деталей. Напри-
мер: шероховатость поверхности независимо от темпераТУРЬJ на-
[рева и продолжительности работы лопатки Ra..;;;: 0,63 мкм,
направление рисок вдоль пера, отсутствие rлубоких рисок,
особенно в зоне максимальных напряжений; минимальные де-
формационные изменения, задаваемые такими параметрами, как
степень наклепа, размеры блоков, микродеформация и др.; высо-
кая жаропрочность и жаростойкость поверхностноrо слоя пера
лопатки.
Выбор конкретных значений тех или иных параметров поверх-
HocTHoro слоя детали для заданных условий эксплуатации про-
изводится обычно на основе экспериментальных исследо-
ваний.
Для выбора параметров, характеризующих физическое и
напряженное состояния поверхностноrо слоя, пока имеются лишь
отдельные рекомендации для конкретных деталей машин и ре-
комендации отдельных исследований. Влияние изменений фазо-
Boro и химическоrо составов поверхностноrо слоя на эксплуата-
ционные свойства детали пока не учитывается. Исследования
в этом направлении лишь только развертываются. Все это затруд-
няет назначение научно обоснованных требований к поверхност-
ному слою деталей машин. Одной из ближайших задач в этом
направлении является разработка отраслевых рекомендаций и
стандартов по нормированию параметров физико-химическоrо,
состояния nOBepxHocTHoro слоя деталей.
227
Анализ и обобщение имеющихся исследований позволяет дать
следующие рекомендации по выбору методов технолоrическоrо
обеспечения заданных эксплуатационных свойств детали.
Выбор способов электрохимической обработки, а также режимов
резания леЗВИИНЫМ и абразивным инструментом. По заданным
условиям эксплуатаJ:l.ИИ, основным эксплуатационным свойствам
и параметрам поверхностноrо слоя детали и взаимосвязи их
с параметрами режимов различных методов обработки и физико-
химическим факторам этих методов (силовые, тепловые, химиче
ские и др.), назначают способы I:! режимы обработки поверхности
заrотовки.
Если деталь высоконаrруженная, работает в условиях высоких
температур HarpeBa и в аrрессивной среде, то деформация поверх-
HocTHoro слоя и ero напряженность должны быть минимальными
(шероховатость поверхности Ra == 0,63 ... 0,16 мкм). Исходя из
этих требований, необходимо выбрать соответствующие методы
и режимы обработки, а также их последовательность. Наиболее
целесообразно для таких деталей применить ЭХО с последующим
механическим полированием для снятия следов растравливания
по rраницам зерен на поверхности детали. Деформационные изме-
нения в поверхностном слое при выбранной обработке будут не-
значительны.
Если этот технолоrический вариант невозмоzкно реализовать,
обрабатывать заrотовки следует обычными методами резания
лезвийным или абразивным инструментом, предусмотрев терми-
'ческую обработку окончательно rотовой детали в вакууме или
нейтральной среде для снятия деформационноrо упрочнения по-
BepxHocTHoro слоя или хотя бы для снятия остаточных макро-
напряжений и частичноrо снятия наклепа,
Для удаления наиболее деформированной части поверхност-
Horo слоя (толщиной 0,03 .., 0,05 мм), а также и уменьшения
макронапряжений можно применять электрополирование. Для
повышения zкаропрочности, жаростойкости и сопротивления кор-
розии целесообразно применять соответствующие защитные по-
крытия.
Окончательная обработка резанием поверхностей деталей, ра-
ботающих на трение и износ, должна обеспечивать прежде Bcero
оптимальные значения параметров шероховатости поверхности.
Для существенноrо повышения твердости поверхностноrо слоя
детали лучше использовать термическую и химико-термическую
обработку, нанесение износостойких покрытий, а не деформацион-
ное упрочнение поверхностноrо слоя. Если же трущаяся пара
работает и в аrрессивной среде, то деформационное упрочнение
поверхностноrо слоя трущихся поверхностей должно быть ми-
нимальным.
Сопротивление усталости. Выбор методов повышения сопротив-
ления усталости зависит в основном от температуры HarpeBa и
среды, в которой работает ,деталь. При температуре HarpeBa до
228
250 ос и наличии воздушной среды сопротивление усталости ко'н-
струкционных материалов (сталей, сплавов) можно повысить
преЖД(f BcerO снижением шероховатости поверхности, применением
деформационноrо упрочнения поверхностноrо слоя и химико-
термической обработкой (цементацией, азотированием, нитро-
цементацией и др.).
Повышения сопротивления коррозионной усталости деталей
при работе в условиях высокой температуры HarpeBa и аrрессив-
ной среды можно достичь снижением шероховатости поверхности,
уменьшеН,ием деформации поверхностноrо слоя (степень наклепа
до 2 %), нанесением защитных покрытий.
Контактная выносливость рабочих поверхностей деталей (вы-
сокое сопротивление образованию микротрещин, оспин, шелуше-
нию) повышается методами обработки рабочих поверхностей,
создающих однородную структуру в поверхностном слое, а также
применением смазочных материалов со специальными покрытиями.
Износостойкость. Основными методами уменьшения износа
схватыванием при малых скоростях СКО:Льжения трущихся по-
верхностей, больших давлениях (превышающих предел текучести
на участках фактическоrо контакта) в условиях rраничноrо тре-
ния и высоких температур являются: подбор металлов для пар
трения, несклонных к взаимному схватыванию и способных
к образованию устойчивых прочных защитных пленок вторичных
структур; создание защитных пленок травлением в растворах
кислот и щелочей, фосфатизацией, сульфидированием, а также
образованием вторичных структур вследствие диффузии кислорода
и уrлерода в поверхностный слой в процессе их пластическоrо де-
формирования; повышение твердости трущихся поверхностей за-
калкой, химико-термической обработкой, нанесением износо-
стойких покрытий, деформационным упрочнением.
Если' процесс схватывания возникает и развивается при боль-
ших скоростях скольжения трущихся поверхностей, повышенных
давлениях, что обусловливает значительное увеличение темпе-
ратуры в поверхностных слоях пары трения, для повышения
износостойкости рекомендуется: увеличивать теплоустойчивость
металлов пар трения леrированием их редкими металлами в со-
четании со специальной термообработкой; снижать трение при-
менением специальных смазочных материалов и различных при'.
садок к ним (химически и физически активных веществ и т. п.);
уменьшить температуру трущихся поверхностных слоев.
Коррозионная стойкость. Выбор метода защиты поверхност-
HOro слоя деталей от окисления и коррозионноrо разрушения
зависит от материала детали и условий эксплуатации (темпера-
туры HarpeBa, механическоrо наrружения и продолжительности
их воздействия, а также от окружающей среды).
Для деталей из коррозионно-стоЙких конструкционных мате-
риалов, работающих без защитных покрытий в воздушной или
аrрессивной среде, независимо от температуры наrревз необхо-
229
дима обеспечивать исходную шероховатость поверхности Ra ==
== 0,63 ... 0,16 мкм и степень деформации поверхностноrо слоя
тем меньшую, чем аrрессивнее среда и выше температура HarpeBa.
Образование на поверхности детали защитных покрытий ,.
наиболее эффективное направление повышения сопротивления
коррозии. Защитные покрытия изолируют поверхность материала.
дета.ТУИ от окружающей среды, препятствуют проникновению к ней
аrрессивной среды и тем самым предохраняют материал от кор-
розии и разрушения.
Изучение возмоzкностей технолоrических методов обеспечения
оптимальных параметров поверхностноrо слоя деталей показывает,
что в зависимости от используемых методов обработки можно
изrотовлять детали машин с требуемыми физико химическими
свойствами поверхностноrо слоя: прочностью, твердостью, пла-
стичностью, величиной и характером распределения остаточных
напряжений, износостойкостью, сопротивлением коррозии, эро
ЗИИ, кавитации и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АбрОЯII И. А., АIIДРОПОВ А. И., ТИТОВ А. Н. Физические основы элек-
тронной и ионной технолоrии, М,: Высшая школа, 1984.320 с.
2. AreeB ,В. Н. Адсорбционно-десорбционные процессы на поверхности
твердоrо тела//Поверхность. 1984. NQ 3. С. 5 26,
3. Александров А. Я., Ахметзянов М. Х. Поляризационно-оптические ме-
тоды механики деформируемоrо тела, М.: Наука, 1973. 576 с,
4. АлеХИII В. П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев
материалов. М.: Наука, 1983. 280 с.
5. Аппаратура плазменной технолоrии высоких энерrий «холодные» си-
Стемы для rенерации плазм проводящих твердых веществ/ Б, И. Барабанов,
И, r. Блинов, А. М, Дороднов И др.liФХОМ. 1978, NQ 1, С. 44 51. '
6. Аршавский Б. С., Бокштейн Б. С., Никольский А. И. Термодинамика по-
верхностных твердых растворов с неоrраниченной растворимостью//Поверхность.
1982. NQ 11. С. 28 36.
7. Бабей Ю. Н., СОПРОIIЮК И. r. Защита сталей от коррозионно-механиче-
cKoro разрушения. Киев: TexHiKa, 1981. 125 с.
8. Батурианская Н. Л., Кальчук Н. А., ЧерlIЫЙ В. r. Определение параме-
тров, тонкой кр'исталлической структуры в поверхностных. слоях материала
с помощью peHTreHOBcKoro дифрактометра//Заводская лаборатория. 1980. М2 7,
С. 38 40.
9. Белкин М. Я., ШеляrИII Т. Н., Белкин Л. М. Дислокационные аспекты
упрочнения сталей поверхностным пластическим деформированием/ /Проблемы
прочности, 1981. М2 11, С, 96 101,
10. Бернер А. Н., rиммельфарб Ф. А., Тарасов В. Н. Послойный peHTreHo-
спектральный микроанализ поверхностных слоев твердых тел//В кн.: PeHTreHoB-
ская и электронная спектроскопия, ИФТТ АН СССР, 1985. С. 63 74.
11, Берштейн М. Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлур-
rия, 1977, 431 с.
12, Бокштейн Б. С., Бокштейн С. З" Жуховицкий А. А. Термодинамика и
кинетика диффузии в твердых телах, М.: Металлурrия, 1974, 280 с.
13. l')ypaKoB В. А., Бровер r. Н., Буракова Н. М. К вопросу о теплостойкости
стали Р6М5 после лазерной обработки//МиТОМ, 1982, М2 9. С. 33 36.
14. Васильев В. С., ШОрИII В. В., ЯrОДКИII Ю. Д. Структура, экзоэмиссион-
ные характеристики и усталостная прочность сплава ЭП718ИД после вальцева-
ния/В кн.: Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойств а деталей
машин и приборов, М,: МДНТП, 1984, С. 114 117,
15. Васильев Д. М. Рентrеноrрафические методы определения напряжений//
Заводская лаборатория, 1965, Т. 31. М2 8. С, 972 978.
16. Веденов А. А., rладун r. r. Физические процессы при лазерной обработке
материалов. М,: Энерrоатомиздат, 1985. 208 с.
17. ВеllДИК О. r., rорик Ю, Н., Попов В. Ф. Корпускулярно-фотониая тех-
нолоrия. М.: Высшая школа, 1984, 240 с,
18. Владимиров В. Н. Физическая природа разрушения металлов. М.: Ме-
таллурrия, 1984. 280 с,
19, Влияние подrотовки поверхности на качество деталей после низкотемпе-
ратурной нитроцементации/В, Б. Фридман, Т. В. Еrорwина, Т. И. 'Кирпичева,
Е. Е. Кесалова//МиТОМ. 1984. М2 5. С. 30 32.
.231
20. ВJ!!!IIlIше способов обработки поверхностей на эмиссионные свойства СПJ.НII-
вов на основе Nb и Мо/Л. Ф. .комолова, В, А. Маштанова, И, В. Разумовская
и др.!/ФХОМ. 1984. Nя 6. С. 94 99.
21. rальваиические покрытия в машиностроении/Справочник, в 2-х т/Под
ред. М, А. ШJ!уrера. М.: Машиностроение, 1985, Т. 1. 1985.240 с.
22. rеrузин Я. Е. Физика спекания. М,: Наука, 1967. 360 с.
23. rиббс Дж. Термодинамика. Статистическая механика/Пер. с аШ'JI. м..:
Наука, 1982. 584 с, . .
24, rper С., Синr И. Адсорбция. Удельная поверхность/Пер. с анrл. М.:
Мир, 1984, 310 с,
25. fрихилес С. Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. п.:
Машиностроение, 1983, 102 с, '
26. Данилин Б. С. MarHeTpoHHoe распыление универсальный метод по-
лучения тонкопленочных структур / /Электронная техника, Сер. 6. 1983. Вып. 6
(179). С. 65 73.
27. Данилин Б. С. Нанесение тонких пленок в производстве интеrральных
схем/В кн,: Электроника (итоrи науки и' техники ВИНИТИ АН СССР). М,;
ВИНИТИ, 1984. Т. 16, С. 145 179,
28, Дворянкин В. Ф., МlIтяrин А. Ю. Дифракция медленных электронов
метод исследования атомной структуры поверхностей//Кристаллоrрафия. 1967,
Т, 12, N2 6, С. 1 1 12 1 134,
29, Деформация сталей при лазерной закалке/В, П, rончаренк(), И, Н, Во-
ронов, В, С. Великих, В. С. Кертанцев //МиТОМ. 1982. Nя 9. С, 39 41.
30, Дубинин r. Н., KoraH Я. Д. Проrрессивные методы химико-термической
обработки, М,: Машиностроение, 1979. 184 с,
31, Е.Дllзаветин М. А. Повышение надежности машин, М,: Машиностроение,
1973, 430 с.
32, Жаропрочные сплавы для rазовых турбин/Пер, с анrл. М,: Металлурrия,
1981, 480 с.
33, Жук Н. П. Курс теории коррозии и защита металлов. М,: Металлурrия,
1976, 472 с.
34, Защита от водородноrо износа/Под ред. А. А. Полякова. М.: Машино-
строение, 1980. 135 с,
35, Иванов Е. r. Термодинамические основы алитирования/В кн.: Высоко-
температурная защита металлов, Л,: Наука, 1981. С. 20 25.
36, Иванов Е. М'о' Кудинов В. В. К энерrетической оценке влияния шерохо-
ватости и толщины подложки на прочность сцепления при плазменном напыле-
нии//\DХОМ, 1983, NQ 2, c.68 74,
37, Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов, М,; Метал-
лурrия, 1975, 455 с,
38, Иверонова В. И., Ревкевич r. П. Теория рассеяния рептrеновскнх лучей.
М,: Mry, 1972, 246 с.
, 39, Изменеиие износостойкости инструментальных сталей при электронном
облучении.! А. Е, Браrинская, В, Н, Манин, А, В, Македонский и др.!lФХОМ.
1983, Nя 1, С. 8 12.
40, Ионная имплантация/Под ред. Дж, к:. Хирвонена, Пер, с анrд, М.: Ме-
таллурrия, 1985. 392 с,
41, Ионная имплантация в полупроводники и друrие материалы/Пер. с
анrл, М,: Мир, 1980, 331 с.
42, Использование импульсноrо электронноrо пучка для термической обра-
ботки металлов/О, А, [усев, А, В, Лазаренко, Б. А. Иванов и др.//МиТОМ,
1984, NQ 9, С. 28 29.
43, Исследование состава окисной пленки, образующейся на поверхности
хромоникелевой стали пЬд действием импульсноrо HarpeBa/ А. [, Акимов, А. П. [а-
rарин, В. [, Дорофеев и др.//Поверхность. 1982, Ny 2, С. 141 143,
44, Исследование состава поверхности, термоэмиссионных свойств и оптиче-
cKoro пропускания некоторых монокристаллов на основе Zr02/B. И. Подrорный,
В. И. Александров, С. Х, Батиrов, Е. Е. Ломано.ва//Поверхность. 1983. Ng 9,
С. 60 63,
232
45. КамбаJlОi!l В. С. Оценка триботехнических свойств контакт,:,рующих по
верхностей. М.: Наука, 1983. 136 с.
46. Кеше f. Коррозия металлов: Физико химические принципы и актуальные
проблемы/Пер. с нем. М.: Металлурrия, 1984. 400 с,
I 47. I!(ииетический анализ процесса переноса метаЛJlИческих примесей при
рафинировании металлов с помощью транспортных реакций/А, И, Евстюхин,
В. А, Шулов, С. М. ЧиrИillОВ и др.//Вопросы атомной науки и техники. Серия:
Общая и ядерная физика. Вып. 1 (26), 1984. С. 58 61,
48. КлебаllОВ Ю. д. О соrласованном испарении сплавов в вакууме//ФХОМ.
Н9 3. 1983. С. 111 113.
49. Козырев В. К., Серебряков В. И. Изменение физико-механическоrо со"
СТОЮ!И51 поверхностноrо слоя титановоrо сплава комбинированным упрочне
lIием/В кн,: Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей
машин и приборов. М,: МДНТП, 1984. С. 92 95.
50. КОJlомыцев П. Т. rазовая коррозия и прочность никелевых сплавов,
М.: Металлурrия, 1984, 216 с.
51. КОJюмыцев П. Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлур"
rия. 1979, 271 с.
52, Костецкий Б. И,. Бармошенко А. Н., Славянская Л. В. Роль кристал.I!И-
ческой структуры и ориентации монокристаллOJ в формировании процесса внеш-
иеrо трения//Металльфизика, 1972. Вып, 40. С. 24 30. '
53. Костеli,КIIЙ Б. Н. Изиосостойхость металлов. М.: Машиностроение,
1980. 52 с.
54, Костецкий Б. И. Структура и поверхностн'ая прочность материалов
пр и трении/ /Проблемы прочности. 1981. N2 3, С. 90 93.
55, КОУJI r. С.,,, Кремисио Р. С. В кн.: Жаропрочные сплавы/Под ред,
Ч. Симса, В, Хаrеля/Пер, с анrл, М,: Металлурrия, 1976, С. 445 480.
56. КраrеJlЬСКИЙ Н. В., Колесниченко Н. Ф. Качество поверхности и трение
в машинах. Киев: TexHiKa, 1969. 145 с,
57. Крапошин В. С. Обработка поверхности металлических материалов
лазерным излучением//Поверхность. 1982. .Nh 3. С. 3 12,
58. КривоrJlаз М. А. Теория рассеяния рентrеновских лучей и тепловых
нейтронов реальными кристаллами. М,: Наука, 1967.274 с,
59. КрнстаJlJlоrрафИlII, рентrеноrрафия и электронная микроскопия/Я, С. Ума-
нский, Ю, А. Скаков, А. И. Иванов, Л. Н. PacTopryeB. М,: Металлурrия, 1982,
632 с.
60. Кубаll.llевский О., ОJlКОК С. Б. Металлурrическая термохимия/Пер, с анrл.
М: Металлурrия, 1982, 390 с.
61. Кулешин А. В., Кононов В. В., Стебелыюв Н. Л. повышение усталост-
ной прОЧI/ОСТИ деталей путем ультразвуковой поверхностной обработки//Проб.
Jlемы прочности. 198!. М 1, С. 70 74.
62. Лившиц Л. С., Мllщенко А. Н. Влияние фазовоrо и CTPYKTypHoro со"
стояния нестаБИJlьно-аустенитных хромомарrанцевых сталей на стойкость против
изнашивания при скольжении по абразиву//В кн,: Поверхностный слой, точ-
ность и ЭI{сплуатационные свойства деталей машин и приборов. М.: МДНТП.
1984. С, 123 -126.
63. Лоповок r. с. Волнистость fюверхиости и ее измерение. М.: Изд-во стан'
дартов, 1973. 184 с,
64. Мирошниченко Н. С. Закалка из жидкоrо состояния. М.: Металлурrия.
1983. 168 с.
65. МОi!lчаll! Б. А., Малашенко И. С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые
13 вакууме. Киев. Н аукова думка, 1983. 232 с.
66. Мухии В. С. Изменение химическоrо и структурно Фазовоrо состава по'
BepxHocTHoro слоя в процессе иэrотовления и эксплуатации деталей/В кн,: По
l'Iерхиостный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин и,при-
боров. М.: МДНТП. 1984. С, 3 4.
67. Наумовец А. r. Исследование структуры поверхностей методом дифрак-
!!;ии медленных электронов/!УФЖ. 1978. Т. 23. N2 10. С. 1586 1607,
68. Нефедов В. И. Рентrено-электроннаи спектроскопия химических соедине-
ний. М.: Химия, 1984. 255 с.
233
69. Об образовании зоны затрудненной рекристаллизации при отжиrе ма-
лолеrироваиных сплавов молибдена/Л, А. Бажан, Ю. О. Меженный, А. Л. Се-
иичкин, Ю. А. Скаков//Изв. вузов: Черная металлурrия. 1975. Ng 11. С. 139
144.
70. Обработка поверхности и надежность материалов/Под ред. Дж. Бурке,
Ф. Вайса/Пер. с анrл. М.: Мир, 1984. 192 с.
11. Папшев Д. Д. Повышение эксплуатационных свойств деталей способами
деформационноrо поверхностноrо упрочнения/В кн,: Поверхностный слой и экс-
плуатационные свойства деталей машин и приборов, М,: МДНТП, 1984. С. 74 77.
12. Пастухов К. М., 5Irодкин Ю. Д. PeHтreHocTpYKTypHoe исследование жа-
ростойкости фазы NiAI в поверхностном слое алитированных жаропрочных
сплавов/В кн.: Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства де-
талей машин и приборов. М,: МДНТП. 1984. С. 23 25.
13. Перераспределение элементов в поверхностных слоях медно-аJlюминие-
вых сплавов при трении/Л. И. Куксенова, В. И. Толокольников, Л, М, Рыба-
кова, И. В. Краrельский//Поверхность. 1984. N2 3, С. 125 130.
74. Пикро Т., Пирси П. Ионная имплантация//В мире науки, 1985. N2 5,
С. 50 58.
15. Плазменная металлизация в вакууме/А. П. Достанко, С. В. fрушецкий,
Л. Ио Киселев и др. Минск: Наука и техника, .1983. 279 с.
16, Пластическая деформация и ра рушение кристаллических тел, Дефор-
мация и развитие микротрещин/В. И. Бетехтин, В. И. Владимиров, А, r, Кадом-
цев и др.//Проблемы прочности. 1979. N2 7. С. 38 45.
11. Плешющев Н. В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968, 343 с.
78. Поверхностная прочность материалов при трении/Под ред. Б. И. Ко-
С'l'ецкоrо. Киев: TexHiKa, 1976. 291 с.
19. Повышенне качества поверхности и плакирование меТaJlJXов//Справочное
издание/Пер. с нем. М.: Металлурrия, 1984. 368 с.
80, Полухин П. И., rорелик С. С., ВОРОНЦОII В. К, Физические основы пла-
СТической деформации. М.: Металлурrия, 1982. 584 с.
81. Получение вольфрамовых осадков с совершенной структурой из хлоридов
модернизированным методом ХТР/ А. И, Евстюхин, И. И. fаврилов, В. Н. яль-
цев и др.!/В кн,: Редкие металлы и сплавы с монокристаллической структурой.
М.: Наука, 1981, С. 36 41.
82. Попов В. Ф. Ион но-лучевые установки. Л.: Энерrоиздат, 1981, 136 с.
83, Похмурский В. И. Коррозионная усталость металлов. М.: Металлурrия,
1985. 207 с.
84. Прилуцкий В. А. Технолоrические методы снижения волнистости по-
верхности. М.: Машиностроение, 1978. 136 с,
85. Прокошкии Д. А. Химико-термическая обработ а металлов//Карбони-
трация. М.: Машиностроение, 1984. 240 с.
86. Растровая рентrеновская микроскопия и рентrеновский микроанализ:
В 2-х ч.!Пер. с анrл. М.: Мир, 1984. Ч. 1.303 с, Ч. 2. 348 с.
87. Риссел Х., Pyre И. Ионная имплантация/Пер, с нем. М.: Наука, 1983.
360 с, .
88. Робертс М., Макки И. Химия поверхности раздела металл rаз/Пер.
с анrл, М.: Мир, 1981.539 с.
89. РУДIIИЦКИЙ И. М. К оценке влияния остаточных напряжений и упрочне-
ния поверхностноrо слоя на усталостную прочность деталей/ /Проблемы проч-
ности. 1981. N2 10. С. 27 33.
90. 'Рыбакова Л. М., Куксеllова Л. И., Босов С. В. Рентrеноrрафический
. метод исследования структурных изменений в тонком поверхностном слое металла
при трении//Заводская лаборатория. 1973. N2 3. С. 293 295.
, 91. Рыбакова Л. М., KYKceiloBa Л. И. Трение и износ/Металловедение и тер-
мическая обработка. Т. 19: Итоrи науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. М.:
1985. С, 150 243.
92. Рыкалин Н. Н., Уrлов А. А., Кокора А. И., 3уев И. В. Лазерная и
электронно-лучевая обработка/Справочник М.: Машиностроение, 1985. 570 с.
93. СмИТЛЗ 1(. Дж. МеТaJlЛЫ: Справочное изд.!Пер. с анrл. М.: Мир. Ч. 1.
ЗО3 с., Ч. 2. 348 с.
2з4
94. Справочник технолоrа машиностроителя. Том I/под ред. А. r. Коси"
ловой, Р. К. Мещерякова. М,: Машиностроение, 1986, 656 с.
95. Сулима А. М., Евстиrнеев М. И. Качество поверхностноrо слоя и уста-
лостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машино-
строение, 1974. 256 с.
96. Тамарин Ю. Д. Жаростойкие диффу:?ионные покрытия лопаток rтд,
М.: Машиностроение, 1978, 134 с.
97. Теодосиу К. Упруrие модели дефектов в кристаллах/Пер. с анrл. М.:
Мир, 1985, 352 с. .
98, Теория текстурообразования в металлах и сплавах/Я. Д. Вишняков,
А. А. Бабарэко, С, А. Владимиров и др. М.: Наука, 1979. 329 с.
99, Термодинамика и кинетика процессов иодидноrо рафинирования ниобия
и тантала/В. А, Шулов, И, И, rаврилов, А, Э, Стрыrин, А, Е. Еrоровский/IVП
Всесоюзная конференция по методам получения и анализа высокочистых веществ,
Тезисы докладов. rорький: Институт химии АН СССР, 1985. Ч. 1. c."26 27.
1 00, Термодинамическая оценка возможности нанесения молибденовых по-
крытий на ниобий методом ХТР/А, И. Евстюхин, В, А. Шулов, И. А. Коленский,
И. И. rаврилов/В кн,: Металлурrия и металловедение чистых металлов. М.:
Атомиздат, Т. 14. 1980. С, 14 19,
101. 1ехнолоrические остаточные напряжения/Под ред, А. В. Подзея. М.:
Машиностроение, 1973. 216 с,
102. Толутис К. Б., 1epeHTberrn В. Ф., ВlИIлис Н. С. Влияние упрочнения по-'
BepxHocTHoro слоя на вид диаrрамм растяжения и прочностные свойства//ФХОМ.
1975, NQ 1. С, 77 81.
103. -Трофимов В. В., Радеева Е. Н. Об изменении напряжений в упрочнен-
IШХ приповерхностных слоях//Проблемы прочности. 1979. N2 7. С, 30 32.
104. Учет неравновесности процесса химическоrо транспорта металлов/
В. А. Шулов, И, И. rаврилов, И. Л, Коленский, И. А. Крапивна//ЖФХ. Т. 53,
NQ 10. 1979, С. 250 2510.
105. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. В 2-х частях. М.:
Машиностроение, 1974. Ч. 1.472 с. Ч, 2. 368 с.
106. Фукс М. Я., Беззубенко Н. К., Свердлова Б. М. Состояние поверхност-
Horo слоя материалов после алмазной и эльборовой обработки. Киев; Вища школа,
1979, 160 с.
107. Фукс М. Я., rладких л. Н., Прыткин Б. Б. Рентrеноrрафическое ис-
следование остаточных напряжений при обработке резанием/ ИЗБ. Вузов. Физика.
1967. NQ 3. С. 46 52.
108, Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов/Пер. с анrл, М.:
Мир, 1972. 408 с. ,
109, Хасуй Д., Мориrак.и О. Наплавка и напыление/Пер, с япон, М.: Машино-
строение, 1985. 240 с, '
110. Хаюров С. С. Термическая и химико-термическая обработка металлов и
сплавов с использованием ионных и лазерных пучков. Металловедение и терми-
ческая обработка металлов, Т. 14: Итоrи науки и техники. М,: ВИНИТИ АН СССР.
1980. С. 142 185. .
111. Черепин В. r., БаСИJII,ев М. д. Методы и приборы для анализа поверх-
IЮСТИ материалов/Справочник. Киев: Наукова думка, 1982. 399 с.
112. Шаповалов Э. Т., Хромов С. М., Устименко М. Ю. Исследование мето-
дом оже-спектроскопии поверхностных слоев сплава ХН40МДБ после коррозии
в серной кислоте//ЗащИта металлов. 1983. Т, ХIХ. NQ 1, С. 7l 78,
113. Шефер r. Химические транспортные реакции. М,: Мир, 1964, 196 с.
114. Штремеш, М. д. Прочность сплавов. Ч, 1: Дефекты решетки. М.: Ме-
таллурrия, 1982. 278 с.
115. Шур Е. А., Войнов С. С., Клещева И. И. Повышение конструктивной
прочности сталей при лазерной обработке//МиТОМ. 1982, N2 5. С. 36 38,
116. Buck!ey О. Н., Tahnson R. L. ТЬе inf1uence of crystal structure and
some properties of hexagonal metals оп friction and adhesion. Wear, 1968,
У. 11, N 6, р. 405 409,
111. Furman Е. Composition analysis of some metal alloys using auger electron
spectroscopy, Т. Mater. Sci., 1982, V. 11, р. 575 579.
235
118. Напdl:юоk af auger electran spectrascapy/Palmberg Р. W., Davis L, Е.,
Macdanald N. С. and ather, Minnescita: Phys, Electr. Industriel, 1976,353 р.
119. 'Ыдипп! А. О;, Rapp R. А. Reactian af and allays in H2H20/H2S
gases а! 850 and 950 С. The Ohio State University. Department а! MetaIlurgica!
Engineering, СаlurпЬus, Ohio 43210, 1980, 15 р.
120, Jakson М. R., Rairden Т. R. Pratective caaHngs far super<!I1ays and
the use af fase diagrame. и. S. Dep. Саmmет, NBS Spec, РиЫ., 1978, V. 496, р.
423 439.
121. КilIсеп J. С., Smith А. Р., Wild R; К. Cramium depletian after preferen.
На! remaval а! chromium Утаm allays. Corras, Sci" 1976, V, 16, N 8, р. 5Бl 559.
122. Kuhne Т., Rothing J. Martensitische Umwandlungen duch tribalagishe
Beanspruchung, Neue Hutte, 1983, V. 28, N 8, р, 293 302. .
123. Misra А. Н., Wblttle О. 1>., Wопеl W. L. Thermadynamics а! law-
temperature (700 850 с) hat carrasian. Materials mаlесиlат Research Divisian,
1980. September, 68 р.
124, Sindh Н. В., Copley S. М., Bass М. FaHgue Resistance af Laser Heat-
TI'eated 1045 СатЬап Steel, Metal. Tran$, А" 1981, V. 12А, р, 138 140.
оrЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . .
r л а в а 1. Физические основы
пластической
деформации и разру
3
шенин металлов . , . . . . . . . . . . . . . , . . 5
1,1, Кристаллическая структура металлов . . . , . . . . . . 5
1.2. Критическое напряжение сдвиrа, Пластическая деформа-
ция скольжением ............. 8
1,3. Дефекты кристаллическоrо строения 11
1.4. Крива51 упрочнения. Механизмы упрочнения металлов и
сплавов . . . . . . . . . , 16
1.5. Разрушение . . . . . . . . 23
r л а в а 2. ПоrrnеРХIIОСТНЫЙ слой деталей 34
2,1, Шероховатость и волнистость поверхности 34
2,2, Физико-химическое состояние поверхностноrо слоя 58
2,3. Термодинамика поверхностноrо слоя. . . . . . . 81
2.4. Элементный состав поверхностноrо слоя . . . . . 89
2.5. Остаточные напряжения . . . . . . . , . . . . 103
2.6, Параметры поверхностноrо слоя деталей после различных
методов и режимов обработки ......".,.,., 109
2,1. Классификация параметров поверхностноrо слоя деталей 113
r л а в а 3. Устойчивость параметров поверхностноrо слоя деталей при
эксплуатации ....... 115
3,1. Шероховатость поверхности 115
3,2. Деформационное упрочнение 119
3.3, Химический и фазовый состав 124
3.4. Остаточные макронапряжения ............. 128
3,5, Термодинамика химических реакций в поверхностном слое 131
r л а в а 4. Влияние поверхностноrо слоя на эксплуатационные свойства
деталей машин ...... ...,......,.. 139
4,1. Прочность при статическом и циклическом наrружении 139
4.2. Трение и износ ...... .......,...." '147
4,3. Коррозионная стойкость . . . , . , . . , . . . ., 151
4.4, Точность деталей и надежность неподвижных сопряжений 157
4,5. Выбор и технолоrическое обеспечение параметров поверх-
HocTHoro слоя деталей машин для заданных эксплуатационных
свойств. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
r л а в а 5. Технолоrичесмие методы повышения ресурса инадежиости
работы деталей машин , . . . , . . . . . . . . . . , .
5,1, Общая характеристика технолоrических методов обеспече-
ния заданных параметров поверхностноrо слоя ..... 161
5.2. Упрочнение поверхностным пластическим деформированием J 71
5.3, Поверхностная термическая и термомеханическая обработка 179
5.4. Классификация методов получения покрытий 181
5.5. Подrотовка поверхности детали перед нанесением покры-
тий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5,6. Химические способы получения покрытий 185
5.1. Физические способы получения покрытий 191
5.8, Химико-термическая обрабОТКIj металлов и сплавов. 206
5.9. Лазерная обработка ......... ..... 218
5,10. Ионноелеrирование .................. 221
5.11, Оптимизация метоДОВ и режимов обработки деталей машин 227
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 231
237
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Сулима Андрей Михайлович,
Шулов Вячеслав Александрович,
Яrодкин Юрий Дмитриевич
1l0ВЕРХIЮСТНЫЙ СЛОЙ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Редактор А, А, Степанова
Переплет х'удожника Р. А. Казакова
Художественный редактор А. С. Bep
шuнкuн
Технический редактор О, В. Куперм.ан
Корректоры Л. . Л. rеореuевская,
О. Ю. Садыкова.
ИВ М2 5103
Сдано в набор 16.03.87, Подписано
в печать 11.05,88. Т-14972.
Формат 60х 901/16' Бумаrа кн. жур-
lIальная N'2 2. rарнитура литератур-
ная. Печать офсетная. Усл. печ. л.
15,0, Усл. кр,-отт, 15,0. Уч.-изд, л,
16,42. Тираж 5500 экз. Заказ 65,
Цена 2 р. 20 к.
Ордена Трудовоrо KpacHoro Зна-
мени издательство «Машинострое-
ние», 107076, Москва, Стромынский
пер" 4
Ленинrрадская типоrрафня M 6
ордена Трудовоrо KpacHoro Зна-
мени Ленинrрадскоrо объединения
«Техническая книrа» им, Евrении
tоколовой Союзполиrрафпрома при
[осударственном комитете СССР по
делам издательств, полиrрафии и
книжной торrовЛИ. 193144, r. Ле-
нииrрад, ул. Моисеенко, 10.
УItЛЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЫ
Издательство «Машиностроение» выпустит
В 1988 rоду следующие книrи:
11 а н ь к о в Л. А., К о с т и н Н. В. Обработка инструмен-
IНМИ из шлифОвальной шкурки. Л.: Машиностроение, 1988.
I!. JI.: ил. (В обл.): 85 к.
1 )ассмотрены технолоrия обработки шлифовальными шкур-
lIамИ, ленточно-шлифовальные станки и их применение, круrи
. IН'ЖУЩИМИ элементами из шлифовальной шкурки, закономерно-
.' 1 If работы и износа инструмента, вопросы качества и точности
"('Р:I()()ТКИ, особенности обработки титановых сплавов, методы
"('работки лентами из алмазов, кубическоrо нитрида бора и эль-
(lI'ра, технолоrические приемы повышения эффективности ленточ-
IIIII'() шлифования. ПРl:fведены практические рекомендации по
Р,'ЖIIМ<IМ обработки, совершеНСТВОf!анию оборудования, ero авто-
М.IТlI:\ации, расширению сферы при:менения.
JLлн инженер но-технических работников предприятий маши-
,I( ,строения.
11 [ У с т е р Л. Ш. Адrезионное взаимодействие режущеrо
IIIH''I'pYMeHTa с обрабатываемым материалом. М.: Машинострое-
11111', }988. 10 л.: ил. (В обл.): 55 К.
Ilриведены данные о Закономерностях адrезионноrо взаимо-
/11'1''11' IIШН твердых металлических тел, о количественных связях
11 1111 н',а инструмента и состояния поверхностноrо слоя обрабаты-
II.II'MI./X заrотовок с параметрами ЭТQrо взаимодействия. Описан
MI'TO)( вроrнозирования рациональных технолоrических параме-
111.111 резания и их реrулирования на основании нетрудоемких
1I('('jJ(')(()ваний на моделях взамен натурных испытаний.
./1../111 IIнженеров-технолоrов машиностроительных предприятий.
М () роз И. И., О р л о в В. Ф., Ч у r у н о в Б. И. Элек-
I рOJШМИ'lсское формообразование/Под общ. ред. В. Ф. Орлова.
М . М;IIJJIIностроение, 1988. 15 л.: ил. (В пер.): 80 к.'
1 )а(тмотрены механизм процесса, особенности анодноrо рас-
IIIIIIH'IIIIII металла при высоких плотностях тока в проточном
11/1'11 IIIШIНТС, процессы на электродах и в межэлектродном про-
. 1 p.IIII'TII<' И их влияние на производительность и точность обра-
("'11<11, состояние поверхностноrо слоя. Приведены методика
111,1("'l'a ')л('ктролита и расчеты профиля электрода-инструмента.
«)11111',1111.1 способы локализации процесса и повышения точности
. '('1 "t(НПI{И.
239
Для инженерио-технических работников; занимающихся элек-
трохимическими методами обработки.
Повышение несущей способности Деталей машин" поверхно-
с:rиым упрочнением/Л. А. Хворосту хин, С. В. Шишкин, А. П. Ко-
валев и др. М.: Машиностроение, 1988. 10 л.: ил. (В обл.):
55 к.
В книrе отражены проrрессивные тенденции в развитии по,.
BepXHocTHoro пластическоrо деформирования (ППД), описаны
области применения этоrо способа обработки (некоторые разно-
видности упрочнения описаны впервые). Большое внимание уде-
лено особенностям осуществления ППД дЛЯ повышения сопро-
тивления усталости, контактной вынос./IИвости, коррозионной
стоЙкости И др.
Для инженерно-технических работников машиностроитель-
ных и приборостроительных предприятий.