Geum.ru

Теоретические предпосылки упрочнения поверхности за счет ее обработки высоцкий С. П., Мельникова Е. П., Маник А. Н

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ УПРОЧНЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТИ ЗА СЧЕТ ЕЕ ОБРАБОТКИ


Высоцкий С.П., Мельникова Е.П., Маник А.Н.

(АДИ ДонНТУ, г.Горловка, Украина)


The mechanism of metal surface durability by means of its treatment is obserfed. The intluens of different treatment media on surface reinforsement is syown.


Известно, что теоретическая прочность идеально твердого тела при плотной упаковке атомов составляет сотни тысяч килограммов на квадратный сантиметр. Для реальных сталей этот показатель в сотни раз ниже и не превышает 10 тысяч килограммов на квадратный сантиметр. Это уменьшение прочности реальных образцов обусловлено множеством дефектов или нарушением плотной установки «кирпичиков» в структуре металла. Раскрытие, устранение этих дефектов в поверхностном слое позволяет приблизиться к прочности идеально твердого тела, так как под воздействием напряжений разрушение поверхностного слоя происходит по наиболее слабым местам – дефектам кристаллической решетки.

Возникает противоречивая ситуация. Упрочнение материала достигается за счет разрушения слабых участков поверхностных структур. Ассоциированные молекулы кремниевой кислоты или гелеобразные структуры, проникая в трещины дефектов структуры поверхности металла, адсорбируются на стенках и способствуют раскрытию «дефектных» кристаллов за счет расклинивающего давления.

Следует отметить, что указанные эффекты расклинивающего действия относились к действию поверхностно активных веществ (ПАВ). Агрегированные или ассоциированные гели кремниевой кислоты ведут себя как ПАВ. Они, связываются с поверхностью стали, вернее, с ионами железа ойного электрического слоя на поверхности металла и значительно изменяют свойства поверхности.

Действие адсорбционных слоев кремниевой кислоты может быть также объяснено возникновением структурно-механического барьера, возникающего на поверхности частицы. Этот барьер по П.А. Ребиндеру является сильным фактором стабилизации дисперсных систем. При этом слой кремниевой кислоты действует как амортизатор, эластично воспринимающий напряжения во всех направлениях.

По аналогии с монодисперсными системами из шариков Г.И. Фукса (внесшего вклад в определение прочности дисперсных структур), глобулы гелей кремниевой кислоты действуют на шарики качения, препятствующие смыканию, сухому трению поверхностей. Этот процесс идет параллельно с образованием силоксановых структур скольжения. Это является макроуровнем межфазного действия полимеров комплекса на основе жидкого стекла(КЖС). С другой стороны, действие ассоциированных соединений кремниевой кислоты должно прослеживаться и на микроуровне и это действие, очевидно, более существенное.

Степень упрочнения поверхности зависит, естественно, от степени раскрытия дефектов на поверхности, так как этот процесс является диффузионным, он зависит от времени обработки поверхности. С увеличением длительности обработки упрочнение должно асимптотически приближаться к какой-то предельной величине. В этом предельном случае скорость исчезновения дефектов кристаллов с поверхности равна скорости достройки новых кристаллов с неупорядоченной или упорядоченной структурой.

Прочность кристаллической решетки железа наряду с упаковкой отдельных атомов зависит от упаковки сростков, кристаллов.

В бездефектном объеме кристаллов, при отсутствии дислокаций атомы железа расположены равномерно, отсутствует их сгущение или разрежение в какой-либо части объема. Вблизи краевых дислокаций такая равномерность отсутствует. Дислокационная линия окружена полем напряжений, которое снижает прочность металла. Согласно канонам кристаллографии, создание вокруг ядер дислокаций облака противоположно заряженных полимерных структур связывает дислокацию, ограничивает ее подвижность.

Полимерные кремниевые структуры прикрепляются к дислокационной линии - месте концентрации напряжений и являются своеобразными «стопорами» - ограничителями распространения дислокаций.

Под влиянием приложенного напряжения участок дислокационной линии, расположенной между двумя прикрепленными полимерными частицами, будет изгибаться, удлиняться. Благодаря этому дислокация будет сопротивляться изгибающим усилиям, что будет проявляться в увеличении прочности – повышении противодействия к внешним приложенным напряжениям.

Упрочнение поверхности будет проявляться в преодолении напряжения в дислокации между двумя неподвижными прикрепленными стопорами (скрепками) дислокации. При этом степень упрочнения пропорциональна отношению линейному напряжению дислокационной линии т на участке между закрепленными «стопорными» частицами l

,

где - напряжение разрушения поверхности;

- усилие, приложенное к детали;

- ширина дислокаций;

- длина дислокаций.

При =1012 дин/см2, в=310-8 см и при l=10-4 см  6108 дин/см2.


Исходя из этого, для продвижения дислокации в кристалле необходимо приложение достаточно высоких напряжений.

Исходя из рассмотренных положений, действие полимерных кремниевых структур проявляется на двух уровнях:
  • макроуровне – на расстояниях от единиц до нескольких десятков микрометров – в разрушении дефектов поверхностной структуры металла в результате приложения расклинивающего давления;
  • микроуровне – на уровне ширины дислокаций в кристаллической решетке, на расстоянии нескольких десятитысячных микрометров в фиксации дислокаций.

Соотношение действия этих эффектов зависит от соотношения межкристаллитных дефектов структуры и дефектов больших размеров, интеркристаллитных дефектов – дислокаций в кристаллах, а также размеров макромолекул полимерной структуры кремнекислых соединений. Очевидно, чем больше размер полимерных структур кремниевой кислоты, тем больше вклад расклинивающего давления и чем меньше размер этих структур – тем больше эффект фиксации движения дислокаций.

Анализ физико-химических процессов в зоне обработки показал, что механизм упрочнения поверхности при использовании кремниевой кислоты состоит в следующем:
  • создание на обрабатываемой поверхности «скользящих» слюдообразных зон с пониженным коэффициентом трения, при этом диссипация энергии между поверхностями трения приходится на микровыступы;
  • равномерное распределение абразивных соединений по объему паст и СОТС;
  • применение в качестве растворителя КЖС технической воды интенсифицирует процесс обработки с одной стороны за счет полимеризации мономеров кремниевой кислоты, а с другой стороны вызывает образование кальцита и арагонита, встраивающихся в пространственную структуру полимера и действующих как мягкий полировочный агент;
  • наличие в СОТС и пастах ЖС, взвешенных твердых частиц обрабатываемого металла и абразивного инструмента позволяют рассматривать силикатные составы как микрополярную жидкость.