Найбільш інтуїтивно зрозуміле розуміння поверхневого зміцнення полягає в тому, що воно може покращити поверхневу твердість матеріалів і підвищити зносостійкість. Але це також ефективний спосіб покращити втомну міцність матеріалів. Знаєте чому? Сьогодні ми розглянемо механізм, що стоїть за цим.
Існує три основні причини найпоширенішого зародження втомних тріщин, як показано на малюнку вище. Одна — дислокація ковзання на поверхні матеріалу, а дві інші спричинені внутрішніми дефектами матеріалу, такими як внутрішні сторонні включення, проміжки між зернами (наприклад, усадкові отвори) тощо. Сьогодні ми обговорюємо вплив поверхневого зміцнення на втомну міцність. Якщо припустити, що матеріал не має дефектів, у центрі уваги знаходяться дислокації ковзання.
Коли на матеріал діє зовнішня сила, відбувається ковзання в мікроскопічному масштабі, і смуги ковзання викликають екструзію та вторгнення, ковзаючи одна об одну. Як показано на малюнку нижче, ці смуги ковзання та прилеглі зони екструзії та інтрузії діють як точки концентрації напруги, де виникають і розвиваються тріщини. Оскільки напруга зсуву домінує, тріщини зазвичай з’являються та розширюються під кутом 45 градусів. Порівняно з внутрішніми зернами, зерна на поверхні деталей більш імовірно утворять дефекти раніше через відсутність опори з боку оточуючих зерен.
Коли ми поверхнево загартовуємо деталі, твердість поверхні матеріалу значно покращується, а твердість безпосередньо пов’язана з міцністю металу. Підвищення твердості означає підвищення його здатності протистояти пластичній деформації. Порівняно з м’якими матеріалами, які не були загартовані, загартований матеріал має відносно меншу ймовірність спричинити ковзний дислокаційний рух. Якщо ви подивитесь на мікрофотографію, то побачите, що на затверділій поверхні в основному немає явного видавлювання чи вторгнення. Таким чином, немає концентрації напруги, викликаної дислокацією ковзання на поверхні металу, і можливість виникнення тріщин значно зменшується. Це головна причина, чому поверхневе зміцнення може підвищити втомну міцність матеріалу. Звичайно, є й другорядна причина. Після загартування та зміцнення поверхня матеріалу зазвичай може утворювати залишкову напругу стиску на поверхні. Ця залишкова напруга стиснення також допомагає протистояти виникненню та розширенню втомних тріщин, тим самим покращуючи довговічність матеріалу. Однак є два моменти, про які слід нагадати всім наприкінці: по-перше, якщо структурна конструкція деталей є необґрунтованою або контроль процесу загартування є необґрунтованим, під час процесу загартування можуть виникнути тріщини або мікротріщини, які стануть джерелом втомного руйнування. По-друге, якщо загартовані деталі потребують обробки, ці процеси також можуть спричинити мікротріщини (наприклад, тріщини від шліфування) або змінити розподіл твердості, зменшити залишкову напругу стиску або навіть перетворити її на напругу розтягування, що стане деякими несприятливими факторами, що впливають на втомну міцність.(文章来源:iMechanics机械)
