1.co to jest WW

Warstwa wierzchnia (WW) warstwa materiału ograniczona rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje niezmienione cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu.

Technologiczna warstwa wierzchnia (TWW)

Eksploatacyjna warstwa wierzchnia (EWW)

2. cechy geometryczne warstwy

Struktura geometryczna powierzchni (SGP) to zespół odstępstw od powierzchni idealnie gładkiej,

odzwierciedlający stan kształtu powierzchni rzeczywistej, kształtują ją m.in. ślady obróbki, np. odlewania, kucia, walcowania, skrawania (TWW) lub zużycia (EWW). Zawierają się w niej wszystkie nierówności powierzchni (chropowatość, falistość, błędy kształtu).

Struktura może być anizotropowa o wyraźnie widocznym ukierunkowaniu wzniesień i zagłębień,

odpowiadającym najczęściej śladom obróbki np. po toczeniu, szlifowaniu lub izotropowa nie wykazująca takiego ukierunkowania np. po piaskowaniu, obróbce erozyjnej.

Nierówność powierzchni

Chropowatość powierzchni elementy struktury geometrycznej powierzchni uformowane w czasie

procesu jej kształtowania, nie zawierające falistości i odchyłek kształtu powierzchni.

Falistość powierzchni stanowi odmianę nierówności powierzchni o dużych odstępach wierzchołków w porównaniu z wysokością fal. Nierówności te charakteryzują się łagodnym, zbliżonym do sinusoidy

profilem.

3. cechy fizykalne

Najważniejszą właściwością fizykochemiczną jest struktura metalograficzna, od której zależą inne

właściwości WW:

- mechaniczne (twardość, plastyczność, naprężenia własne, wytrzymałość zmęczeniowa, odporność

na zużycie trybologiczne),

- chemiczne (absorbcja, chemisorbcja, odporność na korozję chemiczną),

- elektrochemiczne (odporność na korozję elektrochemiczną),

- termofizyczne (przewodność, rozszerzalność, fizysorbcja, adhezja),

- elektryczne (rezystywność, konduktywność),

- magnetyczne (koercja, przenikalność).

Struktura metalograficzna jest definiowana jako budowa wewnętrzna WW obejmująca rozmieszczenie elementów składowych (kryształów, ziaren, uporządkowanie atomów w sieci krystalicznej) oraz zespół relacji między nimi.

Struktura pierwotna - powstała podczas krzepnięcia.

Struktura wtórna - powstała z pierwotnej po przekrystalizowaniu w stanie stałym na wskutek

przemian fazowych lub odkształceń plastycznych.

Tekstura to uprzywilejowana, w sensie statystycznym, orientacja elementów struktury WW. Może być ona teksturą:

- odkształcenia,

- odlewniczą,

- rekrystalizacji.

Karb strukturalny to gwałtowne przejście jednej struktury w drugą.

Kruchość - jest właściwością ciał stałych polegającą na trwałym rozdzielaniu materiału pod wpływem sił wewnętrznych lub zewnętrznych, powstających bez uprzednich znaczniejszych odkształceń plastycznych. Większość materiałów wykazuje "kruchość na zimno", niektóre , np., stal węglowa nieuspokojona,

"kruchość na gorąco". Występuje także "kruchość wodorowa" (spowodowana nadmierną dyfuzją wodoru do metalu). Często, lecz nie zawsze, kruchość związana jest z twardością: większa twardość à większa kruchość. Właściwością odwrotną do do kruchości jest ciągliwość - podatność do odkształceń trwałych (plastycznych) bez powstawania pęknięć. Zwykle dąży się do tego aby twarde, ale nie kruche, warstwy wierzchnie wytwarzać na ciągliwych rdzeniach.

Naprężenia własne - są naprężeniami równoważącymi się wzajemnie wewnątrz pewnego obszaru

ciała i występują po usunięciu obciążenia zewnętrznego.

Wyróżnie się trzy rodzaje naprężeń:

- naprężenia I rodzaju, zwane makronaprężeniami, występują w obszarach współmiernych z

wymiarami przedmiotu, w granicach całej WW. Mogą one powodować zmiany wymiaru przedmiotu,

jego odkształcenia lub pęknięcia.

- naprężenia II rodzaju, zwane mikronaprężeniami, powstające w wyniku niejednorodności budowy

ciał metalicznych składających się z ziaren i bloków ziaren. Mikronaprężenia są skutkiem tworzenia

WW. Ich źródłem jest głównie różna orientacja kryształów i związana z tym anizotropia właściwości

sprężystych i plastycznych poszczególnych kryształów.

- naprężenia III rodzaju, zwane submikronaprężeniami, równoważące się w obrębie jednego kryształu. Traktuje się je jako naprężenia sieci krystalicznej, zwłaszcza w obszarze defektów sieci.

Przyczyny powstawania naprężeń własnych:

- mechaniczne - spowodowane nierównomiernymi odkształceniami plastycznymi WW na zimno,

którym towarzyszą nierównomierne na głębokości procesy oddziaływania sił, reorientacji, rozdrabniania, wydłużania lub skracania składników strukturalnych,

- cieplne - spowodowane rozszerzalnością cieplną i nierównomiernym nagrzewaniem poszczególnych warstw lub fragmentów ciała.

Naprężenia własne - mogą powstawać podczas:

- procesu technologicznego (naprężenia odlewnicze, spawalnicze, hartownicze, obróbkowe od

przeróbki plastycznej i ubytkowej),

- procesu eksploatacyjnego (relaksacja i redystrybucja naprężeń).

Absorpcja (wchłanianie) – jest procesem fizykochemicznym przenikania masy, polegającym na

pochłanianiu składnika (absorbatu), zwykle mieszaniny gazu, przez ciało (absorbent) i rozpuszczeniu go w masie absorbentu. W inżynierii powierzchni wykorzystywana jest najczęściej absorbcja gazów przez metale i ich stopy, głównie w celu nasycenia WW dyfundującym pierwiastkiem. Przebieg absorbcji uzależniony jest od różnicy potencjałów chemicznych w absornencie i otaczającym środowisku (atmosferze, kąpieli, proszku, paście). Zjawisku absobcji często towarzyszą reakcje chemiczne, np. 2CO àCO2+C. Uwolnione atomy węgla zdolne są do wnikania w głąb stali.

Adsorbcja (pochłanianie) – jest procesem przyciągania substancji i gromadzenia się jej na

powierzchniach ciał stałych. Cząsteczki adsorbatu tworzą na powierzchni adsorbentu warstwy

adsorbcyjne.

Większą adsorbcją odznaczają się ciała o powierzchni rozwiniętej (np. ciała porowate, chropowate), niż ciała o powierzchni nierozwiniętej, gładkiej.

Rozpuszczalność - jest zdolnością substancji w postaci stałej, ciekłej lub gazowej do tworzenia z

innymi substancjami mieszanin jednorodnych pod względem fizycznym i chemicznym. Miarą rozpuszczalności jest maksymalna ilość substancji rozpuszczającej się w określonej ilości rozpuszczalnika określonej temperaturze i pod określonym ciśnieniem.

Rozpuszczalność gazów w metalach jest zdolnością do tworzenia roztworów ciekłych lub stałych,

zależna od równowagi. Rozpuszczalność wzajemna metali w stanie stałym wynika z wolnego

krzepnięcia roztworów ciekłych lub obróbki cieplnej.

Dyfuzja – przenikanie atomów jednego ciała do wnętrza drugiego, wskutek ich bezładnego ruchu

cieplnego.

Szybkość dyfuzji zależy od:

- temperatury i rośnie z jej wzrostem: zwiększa się amplituda drgań atomów, czyli ich energia, co

umożliwia generowanie defektów sieci i zwiększa się prawdopodobieństwo przeskoków atomów,

- czasu i rośnie z jego wzrostem,

- rodzaju ciał uczestniczących w dyfuzji oraz od warunków zmniejszających lub zwiększających dyfuzję:

stężenia, ciśnienia, naprężeń, wielkości atomów, wartościowości, typu sieci i jej zdefektowania i in.

W inżynierii powierzchni największą rolę odgrywa dyfuzja cząsteczek gazów i metali lub niemetali do

stopów metali, w wyniku której tworzą się warstwy nawęglane, azotowane, chromowane, borowane,

krzemowe, siarkowe, i inne w tym ich kombinacje.

Adhezja – jest zjawiskiem trwałego i silnego łączenia się warstw powierzchniowych dwóch różnych ciał

(stałych lub ciekłych) doprowadzonych do zetknięcia. Szczególnym przypadkiem jest kohezja,

występująca wtedy, gdy stykają się ciała jednakowe. Adhezja może być następstwem adsorbcji.

Zwilżalność – występuje w przypadku adhezji cieczy do ciała stałego. Zazwyczaj napięcie

powierzchniowe między ciałem stałym a cieczą gsc i między ciałem stałym a gazem gsg nie są sobie

równe. Powoduje to tworzenie się menisku w naczyniach z cieczą. Jeśli gsg > gsc - to tworzy się menisk wklęsły. Adhezja często występuje w życiu codziennym, np. w jej wyniku cząsteczki kurzu przytrzymywane są na ścianach, kreda na tablicy, klej łączy się z materiałem klejonym, itp.
4.model ciepły

Na skutek ciepła wywiązywanego w procesie obróbkowym powstaje pole temperatur sięgające w głąb materiału obrabianego. Temperatury są najmniejsze przy powierzchni i maleją w miarę oddalania się od niej. Nagrzewając się strefy podpowierzchniowa mogłaby się rozszerzyć więcej niż strefy głębsze, których temperatura jest mniejsza. W wyniku powiązania między sobą tych stref powstaje przy powierzchni stan ściskania a głębiej naprężenia ściskające maleją i przechodzą dalej w naprężenia ścinające Z chwilą, gdy pole temperatur przesunie się tzn. punkt A1 zajmie położenie A2 nastąpi w wyniku stygnięcia kurczenie się warstwy wierzchniej, co powoduje zmniejszenie się różnic naprężeń Po pewnym czasie ( położenie A3) strefy odkształcone sprężyście powrócą już do stanu normalnego, gdy strefy podpowierzchniowe odkształcone plastycznie będą dążyły do dalszego skrócenia równego skróceniu plastycznemu Po całkowitym ostygnięciu (położenie A) powstanie w górnej części strefy zgniecionej (odkształconej), której dalszemu kurczeniu przeciwstawiają się strefy głębsze stan rozciągania. Strefy głębsze będą natomiast znajdowały się w stanie ściskania Cieplny model powstawania odkształceń i naprężeń daje w warstwie wierzchniej naprężenia rozciągające
5. model zimny.

Pod działaniem ostrza na materiał powstaje pole naprężeń, które wywołuje na pewnej wysokości odkształcenie plastyczne, jeśli w tej warstwie zostanie przekroczona granica plastyczności.
Pod warstwą rozciągniętą plastycznie znajdują się warstwy w stanie rozciągania sprężystego. Po ustaleniu działania pola naprężeń w punkcie A nastąpi skurczenie się jaj (rozciągniętych warstw). Warstwa rozciągnięta plastycznie nie będzie mogła powrócić do stanu pierwotnego. Wobec tego pod nią leżące warstwy rozciągnięte tylko sprężyście będą wywierały na warstwę plastyczną siłę sprężystą, która stworzy w warstwie odkształconej plastycznie stan ściskania. W wyniku tzw. zimnego odkształcenia plastycznego będą występować w górnej części strefy zgniecionej naprężenia ściskające
6. który korzystny, który nie, jak i dlaczego? kiedy który występuje.

Model ciepły występuje podczas obróbki cieplnej, model zimny podczas obróbki mechanicznej. Model zimny jest korzystny ze względu na właściwości eksploatacyjne kształtowanych powierzchni
7. co to jest twardość.

Twardość - jest właściwością ciał stałych polegającą na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym lub pęknięciom przy lokalnym silnym oddziaływaniu na ich powierzchnie.
8. metody pomiaru twardości - mikrotwardowści w przypadku badania własności ww.

Wyróżniamy następujące metody do pomiaru twardości:

- metoda Brinella

- metoda Rockwella

- metoda Vickersa

- metoda Shore’a

- metoda z zastosowaniem młotka Poldi

Najczęściej stosowane są metody Brinella, Rockwella i Vickersa.

Metoda Brinella

Metoda Brinella polega na wgniataniu pod obciążeniem F, przez określony czas, kulki o średnicy D, w płaską dostatecznie gładką powierzchnię, oraz na zmierzeniu średnicy odcisku kulki d pozostałego na powierzchni badanego przedmiotu.

Twardość wg Brinella jest to iloraz siły obciążającej przez powierzchnię boczną odcisku S, która ma kształt czaszy kulistej.

HB=$\frac{F}{S} = 0,102*\frac{2F}{\text{πD}(D - \sqrt{D^{2} - d^{2})}}$

gdzie:

F- siła w N (współczynnik 0.102 wynika z przeliczenia siły w N na siłę w kG)

S- powierzchni w mm²

Zwiększanie nacisku powinno odbywać się w sposób płynny i bez wstrząsów aż do osiągnięcia żądanej siły obciążenia. Kulki mogą być stalowe lub z węglików spiekanych. Kulki stalowe stosuje się do mierzenia twardości materiałów do 450 HB, a kulki z węglików spiekanych do mierzenia twardości materiałów do 600HB. Zależnie od rodzaju badanego materiału stosuje się kulki o średnicy 10, 5, 2.5, 2 lub 1 mm

Oznaczenie twardości.

W przypadku twardości powyżej 350HB należy w zapisie uwzględnić materiał kulki (HBS- kulka stalowa, HBW- kulka z węglika spiekanego) i o ile pomiar nie został przeprowadzony przy standardowych parametrach D=10mm, F=29420 N, i t=10s, należy określić kolejno:

- średnicę kulki ( D [mm])

- siłę obciążenia ( 0.102*F [N])

- czas działania siły obciążającej ( t [s])

Przykład:

185 HB- oznacza twardość 185 HB zmierzona kulką 10mm przy obciążeniu 29420N (3000kG) działającym 10s.

417 HBW 2.5/31.25 – twardość 417 HB zmierzona kulką węglikową 2.5mm przy obciążeniu 306.5 N (31.25 kG) działającym 10s

Pomija się podawanie tych parametrów, które mają wartości zaliczane do standardowych.

Zalety metody:

-możliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych np. żeliwa, stopów łożyskowych. Jedna skala twardości.

Wady:

- dosyć złożona procedura pomiaru

- mała przydatność do pomiarów warsztatowych

- nieprzydatność do pomiaru materiałów kruchych i drobnych, cienkich warstw utwardzanych oraz powierzchni niepłaskich

- duży ślad pomiaru na powierzchni badanej oraz stosunkowo duża powierzchnia potrzebna do dokonania odcisku

Metoda Rockwella

Metoda Rockwella polega na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A, C, D lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B, E, F, G, H, K.

Technika pomiaru polega na dwuetapowym wciskaniu wgłębnika, najpierw pod działaniem siły wstępnej F0 , a następnie siłą główną F, w badaną próbkę przy określonych warunkach obciążenia.

Miarą twardości w tej metodzie jest głębokość trwałego odkształcenia w materiale spowodowana wgłębnikiem pod działaniem odpowiedniej siły.

Czujnik zegarowy mierzy głębokość zagłębiania z dokładnością 0.002 mm. Wskazania czujnika wyrażone w działkach , gdy głębokość e’ jest wyrażona w mm wynoszą:

e=e’/0.002

Aby uniknąć odwrotności oznaczania twardości w metodzie Rockwella (mniejsze wgłębienie oznaczało by mniejszą twardość) przyjęto umownie, że wynik pomiaru będzie wyrażony następująco:

HR=E-e, czyli HR= E- (e’/0.002)

Stałe E w przypadku stożka diamentowego wynosi 100, a w przypadku kulki stalowej 130.

Stożek diamentowy stosowany w tej metodzie ma promień zaokrąglenia wierzchołka 0,2mm

Zalety:

- możliwość pomiaru materiałów miękkich i twardych oraz drobnych przedmiotów w przeciwieństwie do Brinella

- duża szybkość pomiarów umożliwiająca stosowanie metody do pomiarów warsztatowych

- prosta obsługa aparatu i prosty pomiar

- odciski są stosunkowo małe i w wielu przypadkach są dopuszczalne na powierzchniach pracujących

- pomiaru można dokonać nie tylko na płaskich powierzchniach

Wady:

- dużo źródeł powstania błędów przez pomiar głębokości odcisku

- duża liczba skal umownych dlatego istnieje konieczność porównywania wyników za pomocą tabel

- niemożność pomiaru twardości cienkich przedmiotów i bardzo cienkich warstw nawęglanych, azotowanych itp.

- duży wpływ nieprawidłowego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów.

Metoda Vickersa

Metoda Vickersa polega na wciskaniu w badany materiał regularnego czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kącie dwusiecznym α= 136˚, wierzchołek ostrosłupa powinien być ostry, ściśle wypolerowany, bez skaz. Twardością Vickersa nazywamy stosunek siły nacisku F do pola powierzchni bocznej odcisku S.

HV= F/S

Pole powierzchni odcisku S oblicza się ze wzoru na pole powierzchni bocznej ostrosłupa czworokątnego:

S= 2 / sin 2 2 d

gdzie d- średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku w mm.

Standardowe parametry podczas wykonywania pomiaru to obciążenie 294N (30kG), a czas działania obciążenia powinien wynosić 10-15 s, w przypadku innych parametrów powinny być one podane przy symbolu jednostki twardości Vickersa HV:

540 HV- twardość 540, zmierzona przy obciążeniu 294 N w czasie działanie obciążenia

10-15s

540/HV20/30- twardość 540, zmierzona przy obciążeniu 196N (20kG x 9.807=196 N) w czasie działania obciążenia 30 s.

Zalety:

- zgodność liczbowa HV i HB do 250 HB

- stosuje się jedną skalę porównawczą w całym zakresie pomiarowym

- nadaje się do pomiaru zarówno twardych jak i miękkich materiałów

- można mierzyć twardość małych przedmiotów jak i warstw utwardzonych

- pomiar twardości praktycznie nie zniszczy powierzchni

Wady:

- konieczność stosowania oczyszczonej powierzchni

- nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych

- długo trwający i skomplikowany pomiar

- skomplikowana aparatura pomiarowa wymaga fachowej obsługi

- mała wydajność

Młotek Poldi

Zasada pomiaru młotkiem Poldi jest zbliżona do metody Brinella. Pomiar polega na jednoczesnym wgniataniu kulki o średnicy 10 mm w materiał badany i próbkę wzorcową. Oznaczając wskaźnikiem 1 wielkość dotyczącą próbki wzorcowej i wskaźnikiem 2 badanego przedmiotu otrzymamy:

HB2=k*HB1

Wartość współczynnika k w zależności od d1 i d2 (średnice wgłębień w materiale) odczytujemy z odpowiednich tablic.

Gdy znamy twardość HB1 płytki wzorcowej oraz zmierzymy średnice d1 i d2 możemy obliczyć twardość HB2.

Skleroskop Shore’a.

Pomiar twardości tą metodą polega na pomiarze wysokości odbicia swobodnie spadającego ciężaru (0.0257N), który spada z wysokości 257 mm. Wysokość ta jest podzielona na 100 elementarnych działek. Liczba działek, na których wysokość podskoczy ciężarek jest miarą twardości skleroskopowej. Pomiar ten jest pomiarem porównawczym, nadaje się do oceny twardości takich materiałów, w których uzyskanie odcisku jest niemożliwe (np. guma).