rola warstwy wierzchniej, Polibuda (MiBM), Semestr III, III semestr, od Arniego, 3 semester, lab2

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Warstwa wierzchnia i jej modelowanie
Grzegorz Starzyński, IPPT PAN
1. Warstwa wierzchnia Î wprowadzenie
Warstwa wierzchnia nurtowała naukowcw od bardzo dawna, choć zapewne stosunkowo
niedawno rozpoczęto nadawanie jej normatywnej postaci. Dlaczego tak jest? Głwnie ze
względu na specyficzną i nie do końca zdefiniowaną jej strukturę. Nie wiadomo gdzie się
zaczyna i często nie wiadomo gdzie się kończy. Czy powierzchnia to jeszcze warstwa
wierzchnia, czy należy rozpatrywać ją jako oddzielny twr? No i problem skali Î w
zależności od tego jakiego przyrządu użyjemy do obserwacji (np. mikroskop optyczny lub
mikroskop elektronowy) otrzymamy zupełnie inny obraz warstwy.
Co to jest warstwa wierzchnia?
Warstwa wierzchnia jest wszędzie Î natura wyposażyła w nią wszystkie żywe
organizmy. Skra człowieka, łuski ryby, kora drzew to tylko niektre tego przykłady. Czy
zatem nie ma elementu bez warstwy wierzchniej? Nie ma, bo sam fakt istnienia
geometrycznej powierzchni, granicy, końca elementu utworzonego z jednorodnego materiału
wymusza istnienie warstwy wierzchniej.
Przeprowadźmy myślowy eksperyment: weźmy bryłę metalu w ktrej atomy są w
stanie rwnowagi, czyli zajmują położenie odpowiadające rwnowadze sił międzyatomowych
przy danej energii wewnętrznej bryły. Żeby można było zaniedbać wpływ otoczenia
przyjmijmy, że bryła znajduje się w prżni. Rozetnijmy (nadal myślowo) te bryłę i
rozdzielmy powstałe części. Bezpośrednio po rozcięciu, atomy znajdujące się na nowo
powstałej powierzchni przestają być w rwnowadze Î stan taki jest nie do przyjęcia z punktu
widzenia praw fizyki, więc atomy zaczną się przemieszczać, aby zająć nowe miejsca w
nowym stanie rwnowagi. Jednak znacząco przemieszczą się tylko atomy z pierwszych kilku
warstw atomowych, reszta pozostanie na dawnych miejscach lub zmiany będą nieznaczne. W
ten sposb, z samego faktu istnienia powierzchni ograniczającej bryłę materiału, wynika
istnienie warstwy wierzchniej, gdyż inne położenia atomw pociągają za sobą lokalne zmiany
parametrw sieci krystalicznej, to z kolei spowoduje zmianę wartości sił międzyatomowych a
więc zmianę własności fizycznych. Tak powstaje twr nazywany niekiedy
fizyczną warstwą
wierzchnią
lub
naturalną warstwą wierzchnią.
Jeżeli w myślowy eksperyment
przeprowadzilibyśmy w realnych warunkach, należałoby uwzględnić środowisko, ktre,
wykorzystując fizycznie czystą powierzchnię, spowodowałoby natychmiastowa reakcję
chemiczną atomw otoczenia z atomami metalu. Powstałaby wwczas cieniutka, rzędu kilku
angstremw warstwa tlenkw, azotkw siarczkw.... Rozumowanie to prowadzi rwnież do
podstawowego stwierdzenia, że istnienie warstwy wierzchniej nierozerwalnie (w sensie
dosłownym i przenośnym) związane jest z powierzchnią.
Czy zawsze istnienie tak pojętej warstwy jest istotne w naszych rozważaniach, i czy
warto poświęcać tyle miejsca na tego typu ámyślowe eksperymentyÑ? Bezwzględnie tak, bo
pozwalają nam one zrozumieć istotę fizyczną warstwy wierzchniej i zrozumieć, że fakt iż 80-
90% uszkodzeń zaczyna się właśnie na powierzchni lub bezpośrednio pod nią nie jest
przypadkiem lecz wynika z fizycznych podstaw. Dlatego tak istotne jest dbanie przede
wszystkim o jakość warstwy wierzchniej i powierzchni produkowanego przedmiotu. Jest to
bezpośredni powd tworzenia warstw wierzchnich, ktre podwyższałyby odporność materiału
na zewnętrzne obciążenia. Taką warstwę nazywamy
technologiczną warstwą wierzchnią
.
Podstawowa charakterystyka technologicznej warstwy wierzchniej
Definicja technologicznej warstwy wierzchniej (TWW) a więc warstwy świadomie
utworzonej przez człowieka zawarta jest w normie (PN-87/M-04250) ale interpretacja tej
definicji nie jest jednoznaczna. Dla potrzeb inżynierskich dobrą definicją jest następujące
sformułowanie:
Warstwa wierzchnia to ta część materiału przylegająca do powierzchni wraz z
powierzchnią, ktrej własności fizyczne rżnią się od reszty materiału
nazywanego dalej rdzeniem.
Czy jest to ścisłe? Nie do końca, bo granica zmiany własności fizycznych zależy od
dokładności ich pomiaru a zatem od obserwatora.
Podstawowa charakterystyka warstwy wierzchniej opisana w normie zawiera mierzalne i
niemierzalne własności geometryczne powierzchni oraz własności fizyko Î mechaniczne. Są
to następujące dane:
• Profilogram nierwności powierzchni,
• Wykres liniowego udziału nośnego (krzywa nośności),
• Fotografie makro i mikrostruktury powierzchni,
• Fotografię zgładu powierzchni
• Rozkład twardości w funkcji odległości od powierzchni,
• Rozkład naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni.
Podstawowa charakterystyka TWW jest pewnym kompromisem między tym, co
chcielibyśmy o warstwie wiedzieć, a co możemy realnie zmierzyć czy policzyć. Bardzo
rozwinięta profilometria pozwala na precyzyjny i obszerny opis struktury geometrycznej
powierzchni. Znacznie trudniej jest zmierzyć własności fizyczne warstwy, zwłaszcza, że ze
względu na jej charakterystyczną budowę strefową występują w niej mniejsze lub większe
gradienty praktycznie wszystkich własności sprężystych i plastycznych. I tu kompromisowym
wyjściem okazał się pomiar twardości w funkcji odległości od powierzchni. Od wielu lat
podejmowane są prby wyznaczenia granicy plastyczności na podstawie pomiarw twardości
lub całej krzywej rozciągania na podstawie wciskania penetratora. Znaczący postęp w tej
dziedzinie nastąpił dopiero pod koniec lat dziewięćdziesiątych, gdy do rozwiązania tego
problemu zastosowano rwnolegle numeryczna metodę elementw skończonych i precyzyjne
mikro- i nanoindendatory, czyli urządzenia pozwalające na ciągły pomiar zależności
wgłębienie Î siła. Jednak pełne rozwiązanie problemu znalezienia krzywej umocnienia w
obszarze plastycznym dla warstwy wierzchniej ciągle nie zostało przedstawione [18,19].
Kolejnym elementem w charakterystyce TWW jest rozkład naprężeń własnych. I tu rodzi się
kolejne pytanie, czy część materiału, ktra rżni się od reszty
wyłącznie
naprężeniami
własnymi jest warstwą wierzchnią w rozumieniu podanej wyżej definicji? Ja uważam, że tak
choć oczywiście można dyskutować, czy naprężenia własne mieszczą się w pojęciu
áwłasności fizyczneÑ, choć w oczywisty sposb są związane ze zmianami zachodzącymi w
materiale takimi jak zmiana parametru siatki krystalograficznej. Jednak w wielu przypadkach
dla wygody takie przyjęcie jest zasadne.
Jak widać, charakterystyka ta jest w większym stopniu związana ze strukturą warstwy,
jej budową i samą powierzchnią, niż z wielkościami mechanicznymi. Oprcz naprężeń
własnych (gdzie bardzo rzadko podawane są rozkłady wszystkich składowych) nie można
uzyskać innych danych (moduł sprężystości, granica plastyczności itp.). Wartość granicy
plastyczności szacuje się na podstawie przebiegu krzywej mikrotwardości, a moduły
sprężystości przez dokonanie innych badań. Niewątpliwą wadą przedstawionej w normie
charakterystyki TWW jest to, że nie uwzględnia ona bezpośrednio cech ważnych z punktu
widzenia użytkowania wytworzonej warstwy wierzchniej, a przecież przede wszystkim
dlatego się tę warstwę tworzy. Cechy te to
odporność na zużycie
,
odporność na powstawanie
korozji
i
wytrzymałość zmęczeniowa
.
W omawianej charakterystyce o strukturze
materiału warstwy można wnioskować na podstawie
fotografii zgładu powierzchni. Dobrym przykładem
problemw jakie stają przed badaczem prbującym
przedstawić strukturę w sposb mniej opisowy a
bardziej sparametryzowany jest warstwa borowana
(czyli poddana obrbce termochemicznej, w wyniku
ktrej od powierzchni w głąb materiału
wdyfundowywany zostaje bor i powstaje borek żelaza
FeB o szczeglnym kształcie igieł (rys.1). Nawet z
pobieżnego spojrzenia na ten rysunek widać jak trudno
jest zdefiniować koniec warstwy wierzchniej i początek
rdzenia czyli pierwotnie użytej stali.
Rys. 1 Zgład poprzeczny warstwy borowanej na stali.
Widoczne charakterystyczne igły borkw żelaza [2]
Technologiczna warstwa wierzchnia jest specjalnie ukształtowana przez człowieka dla
określonych celw. W trakcie pźniejszej eksploatacji warstwa ta ulega zmianie, zostaje
modyfikowana przez proces eksploatacyjny. Jej stan i własności zostają zmienione i cały czas
się zmieniają. Taką warstwę nazywamy
techniczną warstwą wierzchnią
.
Struktura geometryczna powierzchni
Pomiary 3D Î kiedy i po co?
Analizując zawartość podstawowej charakterystyki warstwy wierzchniej nie sposb nie
zauważyć, że dużą jej część zajmuje opis struktury geometrycznej powierzchni. W normie
pomiar ten realizowany jest standardowymi profilometrami liniowymi 2D, ktre pozwalają
uzyskać
profilogram
wynikający z jednego przejścia czujnika po powierzchni prbki. Po
dalszej analizie matematycznej profilogramu otrzymujemy szereg parametrw opisujących
powierzchnię, oraz krzywą nośności pozwalającą między innymi ocenić zachowanie się
powierzchni poddanej obciążeniom kontaktowym.
Od co najmniej kilkunastu lat badania struktury geometrycznej powierzchni
rozszerzane są poprzez pomiar 3D czyli pomiar stereometryczny. Zamiast jednego
profilogramu mierzy się ich wiele (kilkadziesiąt lub kilkaset, w zależności od potrzeb) a
następnie, otrzymane w ten sposb dane o powierzchni przetwarzane są przez programy
komputerowe. Otrzymujemy widoki, mapy konturowe, parametry i krzywą nośności dla całej
powierzchni badanej, ktra może osiągać wymiary kilkunastu mm
2
.
Istotnym problemem, jest ocena na ile pomiar stereometryczny jest lepszy,
dokładniejszy i w związku z tym, kiedy należy się nim posługiwać, a kiedy, można pozostać
przy wynikach uzyskanych z pomiaru liniowego. Pomiar stereometryczny z samej swej
natury lepiej opisuje powierzchnię, jednak w wielu przypadkach zwykły pomiar oddaje jej
parametry z wystarczającą dokładnością. Dotyczy to przede wszystkim powierzchni
obrabianych w sposb powtarzalny, takich jak np. powierzchnia toczona. Przykład
przedstawiony poniżej, pokaże jednak sytuację, kiedy wyniki obu pomiarw poważnie się
rżnią i pomiar stereometryczny jest niezbędny dla prawidłowego opisu geometrii
powierzchni, a dodatkowe rozszerzenie oprogramowania pozwala na szczegłowy opis
wybranych fragmentw powierzchni.
Wyniki przedstawione poniżej, uzyskaliśmy w naszej Pracowni podczas badań nad
warstwą elektronagniataną [1].
Charakterystyczne niecki związane z takim procesem dobrze widoczne są na mapie
warstwicowej (rys.2), gdzie ponadto widać niewielką liczbę wgłębień (ciemne poletka)
rozłożonych przypadkowo. Opracowany przez nas program umożliwia wybr dowolnej linii,
wzdłuż ktrej wyznaczony zostanie profil. Na rys. 3 i 4 przedstawiono dwa profile, ktre nie
zostały uzyskane wprost z pomiaru profilometrycznego, (czyli pojedynczego pomiar wzdłuż
osi x), lecz wyliczone z danych pomiaru skaningowego. Pozwala to na dokładną ocenę
rozkładu nierwności dla wybranego fragmentu pola pomiarowego, a także manualne
dopasowanie przebiegu profilu wzdłuż pożądanej linii. Jest to przykład jednego z wielu
udogodnień i rozwinięć programu opisującego stereometrię powierzchni.
profil 1
profil 2
Rys. 2 Mapa warstwicowa z zaznaczonymi liniami pomiaru profili
Rys. 3. Profil wzdłuż linii 1 z rys. 2
Rys. 4. Profil wzdłuż linii 2 z rys. 2
Łatwo rwnież zauważyć, ze przy takiej topografii powierzchni zastosowanie zwykłego
pomiaru profilometrycznego spowoduje zmianę parametrw chropowatości w stosunku do
parametrw 3D. Jest to związane z mniejszą licznością danych uzyskiwanych z mierzonych
powierzchni i mniejszym prawdopodobieństwem pomiaru wgłębień o maksymalnej
głębokości przy pomiarze 2D. Tabela poniżej (tab.1) przedstawia porwnanie podstawowych
parametrw uzyskanych z pomiaru 3D i dla standardowego (średnia z 5 profili) pomiaru 2D.
Widać znaczące rżnice we wszystkich parametrach.
Tab. 1 Porwnanie wynikw pomiarw 3D i 2D dla prbki elektronagniatanej [1
].
pomiar SR
a
(R
a
) SR
q
(R
q
) SR
sk
(R
sk
) SR
ku
(R
ku
) SR
p
(R
p
) SR
y
(R
y
)
3D
1,45
2,35
-2,6
14,1
6,2
26,0
2D
1,20
1,90
-1,3
7,3
4,9
13,0
Wyniki stereometrycznych pomiarw struktury geometrycznej powierzchni po
procesie nagniatania elektromechanicznego pozwoliły na ujawnienie specyficznych cech tych
powierzchni, ktrych nie odzwierciedlają standardowe pomiary profilometryczne. Do
charakterystycznych cech można zaliczyć występowanie wierzchołkw o charakterze
platau
,
dwch rodzajw wgłębień: łagodnych, o charakterze niecek, oraz stromych o małych
powierzchniach a także anizotropii powierzchni oraz dużej nośności dla małych zbliżeń.
Badanie struktury geometrycznej powierzchni jest ściśle związane z konstytuowaniem
warstwy wierzchniej, gdyż każda obrbka powierzchniowa w mniejszym lub większym
stopniu zmienia geometrię powierzchni.
2. Technologie wytwarzania
Istnieje bardzo wiele metod kształtowania warstwy wierzchniej pod kątem jej pźniejszego
użycia. Szeroki przegląd technik obrbki powierzchniowej można znaleźć w książce [3]
Najoglniej podzielić je można na kilka grup, jakkolwiek niektre techniki można zaliczyć do
więcej niż jednej grupy (np. technika laserowa). Ponadto, w ostatnich czasach coraz częściej
opracowuje się i bada technologie łączące w sobie rżne rodzaje obrbek (np.
elektronagniatanie, ktre łączy zwykłe nagniatanie na zimno, z obrbką cieplną). Rwnież
nowoczesne techniki CVD, PVD i obrbki laserowej można rżnie zakwalifikować. Dlatego
też podział ten trzeba traktować bardzo oglnie:
• obrbka mechaniczna (nagniatanie, kulkowanie, krążkowanie itp.),
• obrbka cieplno-chemiczna (warstwy dyfuzyjne),
• obrbka cieplna (warstwy hartowane), techniki CVD, PVD,
• techniki wiązkowe (implantacja jonw, obrbka laserowa),
• pokrycia (miedziowanie, niklowanie, chromowanie, cynkowanie itp.).
Warstwy jakie zostaną wytworzone w ramach wymienionych grup, charakteryzują się
pewnymi wsplnymi własnościami strukturalnymi, chemicznymi i mechanicznymi,
odmiennymi od rdzenia, na ktrym powstały. Grubości warstw zmieniają się od dziesiątych
części µm dla warstw implantowanych do kilku mm dla hartowanych czy nagniatanych.
Zmieniają się także własności mechaniczne oraz stan samej powierzchni. Istnieje zatem
problem prawidłowego scharakteryzowania warstwy wierzchniej, pod kątem jej pźniejszego
użycia.
Obrbki mechaniczne
Do tych obrbek zaliczyć trzeba wszystkie technologie, ktre zmieniają stan warstwy
w metodami mechanicznymi. Są to zatem rżnego rodzaju nagniatania a także coraz
popularniejsze ostatnio kulowanie. Warstwy wytworzone w wyniku tych obrbek
charakteryzują się dużymi wartościami bezwzględnymi maksymalnych naprężeń własnych
oraz granicy plastyczności (we wszystkich przypadkach jest to wynik obrbki plastycznej),
niewielkimi zmianami innych własności mechanicznych. Badania prowadzone przez
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

rola warstwy wierzchniej, Polibuda (MiBM), Semestr III, III semestr, od Arniego, 3 semester, lab2

Tematy