8. Упрочнение материала деталей

Упрочнение деталей является одной из важнейших задач технологии

восстановления, от решения которой во многом зависит получение качественного изделия.Для обоснованного выбора наиболее эффективного способа упрочняющей обработки необходимо провести анализ технологических возможностей известных способов в отношении обеспечения микротвердости и остаточных напряжений. Существуют следующие основные виды упрочняющей обработки:

 термоупрочняющая обработка;

 химико-термическая обработка;

 нанесение упрочняющих покрытий; поверхностное пластическое деформирование.

Упрочнение материала поверхностного слоя деталей прежде всего

характеризуется глубиной упрочненного слоя hэ, отвечающего за эксплуатацию

изделия, его долговечность, и приростом твердости HV, т. е. HV= HVmax – HVo,где НVmax, НV0 – максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя, МПа.Твердостью называется характеристика материала, описывающая его сопротивление пластическому вдавливанию индентора. Индентор (от лат. in –внутри, dentis  зуб) – твердое вещество (алмаз, закаленная сталь) определенной геометрической формы (конус, пирамида, шар), вдавливаемое в поверхность образца при определении твердости материала.

Определение твердости вдавливанием индентора является одним из наиболее

простых и распространенных видов механических испытаний материала.

При испытании на твердость деформируется определенный объем материала.

Чем меньше прилагаемая нагрузка, тем меньше деформируется объем, тем точнее выявляется распределение свойств материала.

В зависимости от величины нагрузки, действующей на индентор, различают

макротвердость, определяемую при нагрузках свыше 49 Н, и микротвердость,

определяемую при нагрузках от 0,049 Н до 4,9 Н. Между ними находится

промежуточная область – твердость при малых нагрузках, которой в настоящее

время пользуются очень редко.При испытании на макротвердость деформируется достаточно большой объем материала, значительно превышающий объем отдельных структурных составляющих материала (например, кристаллитов), поэтому данным методом

пользуются для оценки средней твердости материала.

При испытании на микротвердость размер отпечатка настолько мал, что дает

возможность определять твердость отдельных структурных составляющих

материала.Испытания на микротвердость применяют для контроля качества очень мелких деталей (например, деталей наручных часов), тонких полуфабрикатов (листов, лент, фольги, проволоки), хрупких неметаллических материалов (стекол, эмали, абразивов), которые растрескиваются при использовании обычных методов оценки твердости. И конечно, испытания на микротвердость широко применяются при оценке твердости различных покрытий.Для оценки упрочнения также используют степень упрочнения (uн),

показывающую относительное (в %) повышение твердости, и градиент упрочнения (uгр), который характеризует интенсивность упрочнения по глубине

поверхностного слоя ФОРМУЛА

где uн – максимальная степень деформационного упрочнения, %; uгр – средняя

интенсивность (градиент) упрочнения в упрочненном слое hэ

, МПа/мм.Определение глубины, степени и градиента упрочнения производится на основе измерения микротвердости на поверхности косых, прямых шлифов или при послойном стравливании. По результатам измерения строят эпюры

микротвердости. Для измерения микротвердости используются микротвердомеры ПМТ-3, ПМТ-5 и др. На приборах этого типа в поверхность шлифа при усилии Р = 0,5...2 Н вдавливается алмазная пирамида с углом при вершине 136º. По среднеарифметическому значению диагонали отпечатка определяется площадь его боковой поверхности F и микротвердость, как отношение силы вдавливания индентора к площади боковой поверхности отпечатка, т. е. HV = P/F, МПа.Глубина упрочненного слоя может колебаться в широких пределах: от нескольких микрометров после отделочных операций (например, доводка, полирование, хонингование и др.) до 2 мм после упрочняющих процессов обработки (например, обкатывание роликами, дробеструйная обработка и др.).Эффективность упрочнения во многом зависит от условий работы детали. Упрочнение замедляет процесс истирания рабочих поверхностей деталей, а также затрудняет образование и развитие усталостных трещин.Для повышения прочности материала деталей, особенно в условиях

ремонтного производства, достаточно широко применяют методы холодного

пластического деформирования. Происходящее при обработке этими методами

деформационное упрочнение (наклеп) поверхностного слоя сопровождается

искажениями (дефектами) кристаллического строения материала.

Необходимо отметить, что минимальная прочность определяется критической

плотностью дислокаций, примерно соответствующей отожженному металлу

(107…1081/см2). Дислокации  это линейные дефекты кристаллической решетки, характеризующейся их плотностью, под которой понимается суммарная длина дислокаций в сантиметрах, приходящаяся на 1 см3. При увеличении или уменьшении плотности дислокаций по сравнению с критическим значением возрастает сопротивляемость пластической деформации, т. е. повышается прочность металла. Таким образом, существуют два принципиально разных пути повышения прочности металлов. Первый путь широко используется на производстве и связан с получением

структуры металла с большой плотностью дислокаций, т. е. с большим числом

дефектов кристаллического строения (участок кривой вс). Все традиционные

методы упрочнения (термические, химико-термические, пластического

деформирования и др.) основаны на искажении кристаллической решетки

металлов. Однако повышение прочности этими методами ограничивается

предельной локальной плотностью дислокаций (1014 1/см2

), при которой происходит образование субмикроскопических трещин в отдельных объемах металла и нарушение его сплошности.

Второй путь повышения прочности металлов основан, наоборот, на

уменьшении плотности дислокаций, т. е. на получении бездефектной структуры

металлов (участок кривой aв). В настоящее время это направление начинает

реализовываться при помощи нанотехнологий, позволяющих получить

бездефектную структуру материала. Так, в лабораторных условиях были

приготовлены образцы в виде нитей из чистого железа толщиной 2…10 мкм,

прочность которых составила 14000 МПа.