CC BY
27
УДК 669-141
ТВЕРД1СТЬ М1КРОВДАВЛЮВАННЯМ - КЛЮЧ ДО ВИЗНАЧЕННЯ СТАНУ ПОВЕРХН1 ДЕТАЛЕЙ
В.1. Мощенок, професор, к.т.н., 1.П. Гладкий, професор, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н.,
ХНАДУ
Анотаця. Досл1джено розподы мтротвердост1 тсля поверхневого зм1цнен-ня в1д кромки поверхм в глибину детал1. Обгрунтовано зниження м1кротвер-дост1 на сам1й кромц поверхм.
Ключов1 слова: мтротверд1стъ, ф1зика поверхм, м1кровдавлювання.
Вступ
Твердють е важливою характеристикою мехашчних властивостей конструкцшних матерiалiв.
Режими поверхневого змщнення суттево впливають на структуроутворення, що приз-водить до вщповщного розподiлу мiкротвердостi i змiни експлуатацшних властивостей.
Використання випробувань на твердiсть мшровдавлюванням належить до
неруйнiвних методiв контролю властивостей, як надають iнформацiю про матерiал. Особливе значення цей метод мае при ощнюванш змiцнених поверхневих шарiв.
Оскiльки точнiсть, з якою можуть бути проведенi випробування на твердють мшровдавлюванням, висока, то цей метод мае велике значення для визначення локально! твердосп, а також для встановлення характеру змiни твердосп матерiалу вiд точки до точки.
Сучасш уявлення про особливостi поверхневого шару
Вс властивостi об’ему матерiалу визначаються числом i типом атомiв, якi вiн вмiщуе, та 1х розташуванням вiдносно один до одного.
Фiзика поверхнi значною мiрою залежить вiд хiмiчного складу i розташування атомiв на поверхнi твердих тш.
Поверхня твердого тiла може мати властивосп, що вiдрiзняються вiд
властивостей об’емного матерiалу. Важливо також i те, що е багато процешв, якi використовуються на практицi i залежать вiд властивостей поверхнi твердих тш.
Пiд поверхнею розумiеться декшька самих верхнiх атомних шарiв твердого тша. Вважаеться, що поверхня складае —100 мм твердого тша.
Одна з причин того, що поверхня вiдрiзняеться вщ об’ему тiла, полягае в тому, що поверхня утворилася шляхом розрiзання твердого тiла паралельно вибранiй площинi атомiв. Якщо ця операцiя не зсувае атоми вщносно !х рiвноважних положень в об’ем^ то про таку поверхню можна сказати, що вона являе собою одну з площин твердого тiла. Така площина характеризуеться мшмальними порушеннями твердого тiла, що виникають при утворенш поверхнi.
Але i в такому випадку внаслiдок того, що електронш властивостi об’ему залежать вщ тримiрноl перiодичностi потенцiалу, втрати перюдичност в одному вимiрюваннi приведуть до змiни електронного стану на по-верхш та поблизу 11, i тому поверхневi електроннi властивостi будуть в^^знятися вiд об’емних.
1снуе багато методiв визначення властивостей поверхневого шару. Серед них треба, в першу чергу, видшити метод твердосп мшровдавлюванням. Головне у використаннi методу мшровдавлюванням пов’язано з проблемами встановлення властивостей малих об’eмiв матерiалiв, наприклад окремих малих фаз, коли не може бути проведено дослщження при високих навантаженнях. Тому точнють, з якою можуть бути проведенi випробування на твердiсть мiкровдавлюванням, висока.
Мета та постановка задачi
Метою е дослiдження мiкротвердостi вдавлюванням поверхневих шарiв металу пiсля рiзних видiв обробки.
Дослщження поверхневих шарiв металiв, одержаних шсля хiмiко-термiчноT обробки i поверхневого гартування методом мжровдавлювання
До двох найбшьш розповсюджених способiв обробки сталей для утворення змщнено! поверхнi вщносяться насичення поверхнi вуглецем i азотом за допомогою процесу дифузи. Самим надшним методом випробування е визначення твердосп за перерiзом полiрованих зразюв (покриття). Дослiдження цементованого шару виявило, що максимальна твердiсть досягаеться не на поверхш зразкiв, а на деякш глибинi, починаючи з 0,25 мм залежно вiд повно! товщини цементованого шару.
На рис. 1 наведена крива, що показуе змшу твердосп з вщдаленням вщ поверхнi. Глибина, яка вщповщае максимуму твердостi, залежить вiд розмiрiв вiдбиткiв, а також вiд властивостей навуглецьованого шару по вiдношенню до глибини травлення.
На рис. 2 показано змшу твердосп з вщдаленням вщ поверхнi шлiфа для тонких лисив цементовано! сталi, що встановлена за допомогою вдавлювання такого ж шдентора при навантаженнi 500 г.
Для вшх випадкiв максимальна твердють досягаеться на глибинi 0,08 - 0,1 мм.
Аналопчш дослiдження були проведеш i пiсля азотування, i всi вони показали, що максимальна твердють вщповщае глибинi вiд
0,05 до 0,25 мм.
Рис. 1. Змша по глибинi твердосп
цементовано! стат
Рис. 2. Змша твердосп тонких лиспв цементовано! стат, що пройшли рiзнi способи термообробки i травлення
У табл. 1 наведено даш щодо зниження твердосп поверхневого шару.
Таблиця 1 Зниження твердосп поверхневого шару
Вид обробки Зниження твердосп поверхневого шару по ввдношенню до максимально! твердосп, %
Цементац1я товсто-стшних зразк1в 10
Цементац1я тонких лисив з наступним подвшним гартуванням 15
Цементац1я тонких лисив з наступним гартуванням вище Ас3 16
Цементац1я тонких лисив з наступним гартуванням вище Ас 1 14
Зниження твердосп безпосередньо на самому кра!' спостер1галося 1 при шдукцшному нагр1ванш поверхш.
Зменшення твердосп на краю спостер1галося при випробуванш на мшровдавлювання тсля таких вид1в дифузшно! метал1зацп, як алггування, насичення кремшем 1 утворення сульфщних пл1вок.
Для обгрунтування поверхневих ефект1в з ф1зичних позицш приведено декшька вар1ант1в розташування атом1в в поверхневому шар1, як пояснюють, чому на самому кра!' зразка твердють вщр1зняеться вщ основи металу або вщ шар1в, що щуть за поверхневими.
Перший варгант. Якщо при обробщ поверхш атоми поверхневого шару не зсуваються вщносно !'х р1вновюного стану в об’ем1, то можна сказати в цьому випадку, що така поверхня являе одну з площин твердого тша. Така площина характеризуеться
мЫмальними порушеннями твердого тша, що виникають при утворенш поверхш.
площини вщ найближчо!' до не!' площини атом1в бшьше, шж,
наприклад, вщповщна вщстань в об’ем1 твердого т1ла.
Це в1дхилення вщ об’емно! м1жплощинно! в1дстан1 може розповсюджуватися в глибину твердого тша. Поверхнева дшянка, в якш е вщхилення в1д об’емно! м1жплощинно! в1дстан1, називаеться кромкою.
Релаксащя збер1гае симетр1ю розташування атом1в паралельно поверхн1, але змшюе в1дстань м1ж атомними площинами в напрямку, перпендикулярному поверхш. Вона може призводити до змши властивостей на поверхш, наприклад, вона може утворювати електричний дипольний момент у зош кромки.
Четвертий варгант. Значно сильшше руйнування мае мюце, коли поверхнев1 атоми перебудовуються в структуру, симетр1я яко! суттево в1др1зняеться в1д симетри об’емного кристала. Це явище називаеться реконст-рукщею.
Другий вар1ант. В1дсутн1сть найближчих сусщв з одного боку вщ поверхневих атом1в може призвести до утворення х1м1чних зв’язк1в, як1 будуть «бовтатися» зовн1 в1д твердого тша 1 будуть готов1 вступити в х1м1чш реакцГ! (рис. 3).
Pеконстрyкцiя змiнюe симетрiю по6лизу поверxнi i впливae нa всi структурно зaлежнi влaстивостi поверxнi-коливaння aтомiв, xiмiчнi, оптичш i електроннi влaстивостi.
BncHoßKM
Рис. 3. Зв’язки, що «бовтаються» на поверхш кристала
Третш вар1ант. Бшьш 1мов1рним е випадок, коли «збурення», викликане обривом
твердого т1ла на поверхш, особливо за рахунок вщсутносл зв’язюв з боку
найближчих сусщв, призводить до нових р1внов1сних положень атом1в на поверхн1 або поблизу не!. Найпрослша зм1на цього типу -це релаксащя. Тут вщстань поверхнево!
Дослiдження мiкротвердостi змiцненого поверxневого шaрy пiсля xiмiко-термiчноï' обробки тa iндyкцiйного нaгрiвy покaзaло, що мaксимaльнa мiкротвердiсть досягaeться нa глибинi 0,08 - 0,20 мм вщ кромки поверxнi.
Зниження мiкротвердостi нa сaмiй кромцi поверxнi в порiвняннi з мaксимaльним знaченням склaдae 10 - 20 %.
Зниження мшротвердосл поверxнi пояснюeться специфiчним розтaшyвaнням верxнix aтомниx шaрiв твердого тiлa.
Лiтepатуpа
1. Прaттон М. Введение в физику твёрдого телa. - Ижевск: НИЦ «Регуляртая и xaотическaя динaмикa», 2000. - 256 с.
Рецензент: О.1. П’ятак, професор, д.ф.-м.н., Стаття надiйшла до редакци 23 травня ХНАДУ. 2008 р.
