Najbardziej intuicyjne zrozumienie hartowania powierzchniowego jest takie, że może ono poprawić twardość powierzchni materiałów i zwiększyć odporność na zużycie. Ale jest to również skuteczny sposób na poprawę wytrzymałości zmęczeniowej materiałów. Czy wiesz dlaczego? Dzisiaj przyjrzymy się mechanizmowi, który za tym stoi.
Istnieją trzy główne przyczyny najczęstszego zarodkowania pęknięć zmęczeniowych, jak pokazano na powyższym rysunku. Jednym z nich są przemieszczenia poślizgowe na powierzchni materiału, a dwa pozostałe spowodowane są defektami wewnętrznymi materiału, takimi jak wewnętrzne wtrącenia ciał obcych, szczeliny na granicach ziaren (takie jak dziury skurczowe) itp. Dziś omówimy wpływ hartowania powierzchniowego na wytrzymałość zmęczeniową. Zakładając, że materiał nie ma wad, w centrum uwagi znajdują się dyslokacje poślizgowe.
Kiedy materiał jest poddawany działaniu siły zewnętrznej, następuje poślizg w skali mikroskopowej, a taśmy ślizgowe powodują wytłaczanie i wciskanie, przesuwając się względem siebie. Jak pokazano na poniższym rysunku, te pasma poślizgu oraz przyległe obszary wytłaczania i wtłaczania działają jak punkty koncentracji naprężeń, w których powstają i rozwijają się pęknięcia. Ponieważ dominują naprężenia ścinające, pęknięcia zwykle pojawiają się i rozszerzają pod kątem 45 stopni. W porównaniu z ziarnami wewnętrznymi, ziarna na powierzchni części są bardziej podatne na wcześniejsze powstawanie defektów ze względu na brak wsparcia ze strony otaczających ziaren.
Kiedy utwardzamy powierzchniowo części, twardość powierzchni materiału znacznie się poprawia, a twardość jest bezpośrednio związana z wytrzymałością metalu. Wzrost twardości oznacza, że wzrosła jego odporność na odkształcenia plastyczne. W porównaniu z miękkimi materiałami, które nie zostały utwardzone, w przypadku utwardzonego materiału jest stosunkowo mniej prawdopodobne, że spowoduje ruch poślizgowy. Jeśli przyjrzysz się mikrofotografii, zauważysz, że na utwardzonej powierzchni zasadniczo nie ma wyraźnego wytłoczenia ani wtargnięcia. Dzięki temu nie dochodzi do koncentracji naprężeń wywołanych przemieszczeniem poślizgowym na powierzchni metalu, a możliwość inicjacji pęknięć jest znacznie zmniejszona. Jest to główny powód, dla którego utwardzanie powierzchniowe może poprawić wytrzymałość zmęczeniową materiału. Oczywiście jest też powód wtórny. Po hartowaniu i utwardzeniu powierzchnia materiału może zwykle tworzyć na powierzchni szczątkowe naprężenia ściskające. To resztkowe naprężenie ściskające pomaga również przeciwdziałać inicjacji i rozszerzaniu się pęknięć zmęczeniowych, poprawiając w ten sposób trwałość zmęczeniową materiału. Jednakże na koniec należy przypomnieć wszystkim o dwóch kwestiach: Po pierwsze, jeśli konstrukcja konstrukcyjna części jest nierozsądna lub kontrola procesu hartowania jest nieuzasadniona, podczas procesu hartowania mogą wystąpić pęknięcia lub mikropęknięcia, które staną się źródłem uszkodzeń zmęczeniowych. Po drugie, jeśli części hartowane wymagają wykończenia, procesy te mogą również powodować mikropęknięcia (takie jak pęknięcia szlifierskie) lub zmieniać rozkład twardości, zmniejszać własne naprężenia ściskające lub nawet przekształcać je w naprężenia rozciągające, które staną się niekorzystnymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość zmęczeniową.(文章来源:iMechanics机械)
