Пластическое деформирование

Сущность упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) заключается в создании наклепа металла, т.е. в повышении твердости, предела прочности, предела текучести и уменьшении пластичности поверхностных слоев под влиянием холодной пластической деформации при температуре не более 0,2 t_пл.

Наклеп возникает за счет приложения внешних сил, создающих в структуре поля^/ остаточных напряжений, под влиянием которых дислокации перемещаются в плоскости скольжения кристаллического зерна. На границах зерен происходит возрастание плотности дислокаций, усиливается их взаимодействие и увеличивается сопротивление их перемещению, т.е. возникает упрочнение и появляется хрупкость.

Способность металла упрочняться за счет наклепа характеризуется зависимостью:

,

где - истинное сопротивление деформации,

S ₀ – сопротивление деформации до упрочнения,

с – коэффициент наклепываемости, учитывающий природу металла,

m – показатель упрочнения,

- характеристика степени деформации.

Металлы с решеткой ГЦК упрочняются сильнее, чем с решеткой ОЦК. В результате упрочнения снижаются плотность металла и его коррозионная стойкость, увеличивается электросопротивление. У ферромагнитных металлов за счет наклепа повышается коэрцитивная сила и уменьшается магнитная проницаемость. При повышении степени деформации величина упрочнения растет более интенсивно с возрастанием содержания углерода в стали.

В зависимости от механизма приложения к изделиям внешних сил различают несколько видов упрочнения пластическим деформированием:

1) дробеструйный наклеп путем обдувки поверхности потоком чугунной или стальной дроби,

2) центробежно-шариковый наклеп за счет энергии ударов стальных шариков, отбрасываемых центробежной силой к периферии вращающегося барабана,

3) накатывание наружной поверхности или раскатывание внутренней шариком, роликом или шариковой либо роликовой головкой с вибрацией или без вибрации инструмента,

4) дорнование стенок отверстия путем проталкивания через него специального дорна либо шарика с помощью пуансона,

5) выглаживание поверхности с помощью алмаза, закрепленного в специальной оправке.

Качество наклепанного слоя и производительность упрочнения зависят от режима процесса наклепа, который включает скорость взаимодействия инструмента и поверхности, величину приложенного усилия и подачи инструмента. Толщина упрочняемого слоя х зависит от приложенной силы Р и предела текучести металла σ _0,2 до упрочнения в соответствии с выражением:

.

При пластическом деформировании поверхностных слоев происходит внешнее и внутреннее трение, за счет которого температура в контактной зоне может повышаться до 400^оС. Из-за этого будет происходить рекристаллизация структуры, препятствующая упрочнению. Поэтому при упрочняющей обработке применяются смазочно-охлаждающие жидкости, снижающие температуру и увеличивающие степень упрочнения, а также улучшающие стойкость инструмента.

За счет поверхностного пластического деформирования увеличивается площадь поверхности, чему препятствуют нижележащие слои металла. В результате в поверхностном слое формируются сжимающие напряжения, в прилегающих слоях сердцевины – растягивающие. Вследствие этого значительно повышается усталостная прочность изделий так, что повышение предела выносливости может достигать 50%.

Благодаря пластическому деформированию возрастают твердость и износостойкость поверхности, улучшаются ее степень шероховатости и коррозионная стойкость. Поэтому упрочнение поверхностным пластическим деформированием часто применяют после термической и химико-термической обработки для повышения качества ответственных деталей, испытывающих действие знакопеременных нагрузок, повышенных сил трения и контактных напряжений в сочетании с коррозией. К таким деталям относятся пружины и торсионы, кулачковые и кривошипные валы, шестерни различных приборов, механизмов, машин и устройств.

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием используется также при изготовлении без снятия стружки таких фасонных элементов деталей, как резьба, зубья, шлицы, рифления. В сравнении с методами нарезания применение процессов накатывания резьбы, зубьев, шлицов позволяет увеличить долговечность названных элементов в 3…5 раз, а также значительно повысить производительность изготовления и исключить расход металла на снятие стружки.