Zaloguj

ZINTEGROWANA BAZA NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA

Stan warstwy wierzchniej.

Warstwa wierzchnia jest „warstwą materiału ograniczoną rzeczywistą powierzchnią przedmiotu obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienne cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu”, czyli w rdzeniu. Warstwa wierzchnia jest materiałem rdzenia poddanym narażeniom zewnętrznym, magnetycznym i in. Stosowanie celowe narażeń powodujących różne właściwości można nazwać modyfikacją rdzenia, podłoża, warstwy wierzchniej. Podana definicja dotyczy technicznej warstwy wierzchniej, stanowiącej domenę kształtowania, badania i wykorzystywania w celach technicznych, będących przedmiotem badań technicznych.


Rys 1 Schemat warstw powierzchniowych

Stan warstwy wierzchniej opisuje zespół potencjalnych właściwości , które można podzielić na; stereometryczne (chropowatość, falistość, nośność), stereometryczno – fizyko - chemiczne ( energetyczne, promienne i częściowo strukturalne ), fizykochemiczne ( mechaniczne, chemiczne, cieplne, fizyczne, elektryczne, magnetyczne ).

Wielkościami określającymi stan warstwy wierzchniej są:

  • chropowatość,
  • falistość,
  • nośność,
  • energia powierzchniowa,
  • napięcie powierzchniowe,
  • emisyjność,
  • odbijalność,
  • pochłanialność ( adsorpcja fizyczna),
  • budowa,
  • grubość,
  • twardość,
  • kruchość,
  • naprężenia własne,
  • skład chemiczny,
  • absorpcja chemiczna,
  • adsorpcja chemiczna ( chemisorpcja ),
  • rozpuszczalność,
  • dyfuzja,
  • kataliza,
  • przewodność,
  • rozszerzalność
  • adsorpcja fizyczna (fizykosorpcja),
  • adhezja,
  • rezystywność,
  • konduktywność,
  • koercja,
  • przenikalność.

Warstwa powierzchniowa jest wytwarzana w określonym celu, zawsze przeznaczona do współpracy z odpowiednimi czynnikami zewnętrznymi. Potencjalne właściwości warstwy powierzchniowej korzystne dla pracy wyrobu w warunkach działania jednego czynnika zewnętrznego mogą być niekorzystne w warunkach działania innego czynnika, np. antykorozyjne warstwy wierzchnie zwykle pogarszają wytrzymałość zmęczeniową. Najczęściej występującymi czynnikami zewnętrznymi są: obciążenia mechaniczne, tarcie, oddziaływanie ośrodka eksploatacyjnego lub ich kombinacja. W tych obszarach najważniejsze są właściwości użytkowe układów: wytrzymałościowe, tribologiczne, antykorozyjne, termodynamiczne; niekiedy istotne są właściwości dekoracyjne.

Najważniejszymi metodami oceny stanu warstwy wierzchniej są metody:

  1. Wytrzymałościowe ( wytrzymałość zmęczeniowa, trwałość zmęczeniowa ),
  2. Tribologiczne ( współczynnik tarcia, odporność na zużycie tribologiczne, odporność na zatarcie, trwałość tribologiczna ),
  3. Antykorozyjne ( odporność na zużycie korozyjne, trwałość korozyjna ),
  4. Dekoracyjne ( połysk, barwa, odporność na starzenie, trwałość dekoracyjna ),
  5. termodynamiczne ( temperatura ).

W przypadku technologicznego tworzenia nowej warstwy powierzchniowej towarzyszy niszczenie wcześniej wytworzonej warstwy powierzchniowej. Nowa warstwa powierzchniowa uzyskuje swe specyficzne właściwości w trakcie powstawania nowej powierzchni fizycznej lub w wyniku zmian właściwości już wytworzonej powierzchni – na inne właściwości. Uzyskanie tych właściwości dokonuje się przez poddanie materiału operacji obróbkowej, która może służyć do nadawania powierzchni właściwości zwiększających jej walory potencjalne i użytkowe np. wzrost umocnienia i poprawa właściwości decydujących o trwałości i wytrzymałości w wyniku nagniatania, hartowania powierzchniowego, nawęglania, azotowania.


Rys 2 Schemat wpływu procesu technologicznego kształtowania warstwy wierzchniej na właściwości użytkowe warstwy wierzchniej przedmiotu.

Stan warstwy wierzchniej może być określony przez ukształtowanie geometryczne powierzchni

Ukształtowanie geometryczne powierzchni można przedstawić za pomocą cech charakterystycznych struktury geometrycznej powierzchni takich jak:

  • kierunkowość,
  • okresowość,
  • determinowość składowej i okresowej,
  • izotropowość
  1. Kierunkowość struktury geometrycznej powierzchni charakteryzuje wzajemne usytuowanie śladów powstających na powierzchni w procesie obróbkowym lub fizycznym. Powierzchnie podzielić można na ukierunkowane i nieukierunkowane. Powierzchnie nieukierunkowane można z kolei podzielić na powierzchnie okresowe i powierzchnie nieokresowe, przy czym okresowość, jak też losowość mogą występować w jednym lub wielu kierunkach.
  2. Okresowość - powierzchnia okresowa to powierzchnia, która posiada regularną powtarzającą się fakturę topograficzną albo w jednym kierunku, albo w dwóch kierunkach prostopadłych powierzchnia losowa (przypadkowa) – powierzchnia, która nie posiada regularnych lub powtarzalnych się faktur topograficznych. Okresowość może przyjmować postać zdeterminowaną lub niezdeterminowaną. Postać zdeterminowana – jej profil określa się a priori w sposób analityczny lub doświadczalny. Postać niezdeterminowana ( przypadkowa) powstała w sposób spontaniczny i a priori nieprzewidywalny np. w skutek występujących drgań samowzbudnych. Znamienną cechą takich powierzchni jest sinusoidalny profil ukształtowanych nierówności.
  3. Determinowość - Struktury geometryczne powierzchni charakteryzujące się determinowością składowej okresowej powstają podczas obróbki narzędziem z określoną geometrią ostrza przy sprzężonej kinematyce ruchów względnych narzędzia i przedmiotu obrabianego np. w procesie toczenia precyzyjnego wykończeniowego.
  4. Izotropowość struktury geometrycznej powierzchni oznacza jednakową strukturę powierzchni we wszystkich kierunkach. Jest to idealnie symetryczna struktura względem wszystkich możliwych osi symetrii. Powierzchnia anizotropowa - powierzchnia , która posiada różne cechy topograficzne w różnych kierunkach. Powierzchnia izotropowa – powierzchnia posiadająca jednolitą cechę topograficzną we wszystkich kierunkach
  5. W zależności od kombinacji podstawowych cech charakteryzujących ukształtowanie geometryczne powierzchni (okresowość lub losowość, kierunkowość, determinowość i izotropowość) wszystkie powierzchnie rzeczywiste można podzielić na: anizotropowe okresowe, anizotropowe mieszane, anizotropowe losowe, izotropowe losowe i quasi-izotropowe okresowe. Występowanie każdej z wymienionych rodzajów struktury geometrycznej powierzchni zależy od zastosowanej techniki jej kształtowania.

    W trakcie użytkowania układu materialnego np. w postaci wyrobu, jego właściwości potencjalne zwykle zmieniają swoja wartość wraz z czasem użytkowania w wyniku narażeń użytkowych, głównie powierzchni na oddziaływania ośrodka ( atmosfery gazowej, cieczy, ciała stałego lub ich kombinacji ).