آیا عملیات سطحی استحکام قطعات را ضعیف می کند؟

一، هدف اصلی از عملیات سطحی تقویت و سفت شدن همزمان است.
درمان سطحی تنها یک فناوری نیست. هدف اصلی آن بهبود عملکرد با اصلاح نحوه ساختار و تنش سطوح مواد است. دو نوع اصلی درمان سطحی بر اساس نحوه عملکرد آنها وجود دارد:
1. درمان بهبود یافته: سطح را سخت تر و مقاوم تر در برابر سایش و پارگی می کند
تقویت ساچمه: در این روش از پرتابه‌های{0} با سرعت بالا برای برخورد به سطح و ایجاد یک لایه تنش فشاری باقی‌مانده با ضخامت حداکثر 0.5 میلی‌متر استفاده می‌شود. این می تواند قدرت خستگی را تا بیش از 200٪ افزایش دهد. به عنوان مثال، شات پینینگ می تواند طول عمر خستگی تیغه های موتورهای هوایی را بیش از 10 ^ 7 سیکل بارگذاری کند که از 500 ساعت به 1500 ساعت می رسد.
لیزر ضربه‌ای لیزری: یک لیزر با انرژی{0}بالا امواج ضربه‌ای پلاسما ایجاد می‌کند که لایه‌ای به عمق 1 میلی‌متر-از تنش فشاری باقی‌مانده بر روی سطح ایجاد می‌کند. این باعث می شود اندازه دانه کوچکتر شود که باعث می شود قطعات آلیاژ تیتانیوم سه برابر در برابر خستگی مقاوم تر شوند.
کربورسازی/نیتریدینگ: یک عملیات حرارتی شیمیایی یک لایه کاربید یا نیترید بسیار سخت روی سطح ایجاد می‌کند (تا 1200HV)، که سطح را در برابر سایش بسیار مقاوم‌تر می‌کند. پس از کربورسازی، سختی سطح دنده های خودرو از 35HRC به 60HRC رسید و عمر چرخدنده ها 5 برابر افزایش یافت.
2. درمان سفت کننده: سرعت گسترش ترک ها را کاهش می دهد
نورد سطحی: با غلتاندن یک غلتک بر روی سطح، عیوب فرآیند از بین رفته و تنش فشاری باقیمانده ایجاد می شود. این امر سرعت گسترش ترک ها در قطعات آلیاژ آلومینیوم را تا 60 درصد کاهش می دهد.
سخت شدن تبدیل فاز: برای موادی مانند سرامیک های زیرکونیایی، سندبلاست باعث می شود سطح از فاز t به فاز m تغییر کند. سپس از تنش فشاری ناشی از انبساط حجمی برای مبارزه با نیرویی استفاده می‌شود که باعث گسترش ترک‌ها می‌شود، که باعث می‌شود مقاومت خمشی 15 تا 20 درصد افزایش یابد.
نتیجه‌گیری کلیدی: عملیات سطحی طراحی‌شده علمی می‌تواند با استفاده از روش‌هایی مانند تنش فشاری پسماند، پالایش دانه‌ها و سخت‌سازی تبدیل فاز، قطعات را به جای ضعیف‌تر، قوی‌تر کند.
2، خطر کاردستی بد: نکته کلیدی بین بهبود قدرت و بدتر شدن عملکرد
عملیات سطحی می تواند چیزها را قوی تر کند، اما اگر پارامترهای فرآیند تنظیم نشده باشند یا مواد به خوبی با هم کار نکنند، ممکن است استحکام در واقع کاهش یابد. این عمدتا به دلیل سه مکانیسم زیر است:
1. سخت شدن بیش از حد باعث می شود که چیزها به راحتی شکسته شوند.
یک شرکت از عملیات کربوریزه کردن دمای بیش از حد روی شیرهای فولادی ضد زنگ استفاده کرد تا آنها را در برابر سایش مقاوم کند. این باعث شد که لایه کاربید روی سطح ضخیم‌تر از 0.8 میلی‌متر باشد، و کاربیدها در مرز دانه‌ها ایجاد شدند که باعث ایجاد ترک‌ها و شکست شیر ​​در اوایل آزمایش فشار شد.
مکانیسم: هنگامی که سختی سطح بالاتر از حد چقرمگی مواد هسته باشد، احتمالاً ترک ها از لایه سخت و شکننده به هسته نرم گسترش می یابد. به این حالت خرابی «سخت و شکننده» می گویند.
2. تنش کششی پسماند شروع ترک ها را سرعت می بخشد.
مورد: عملیات آبکاری نامناسب باعث ایجاد تنش کششی پسماند در تماس بین پوشش و زیرلایه یک شفت گیربکس خاص خودرو شد. هنگامی که نمونه تحت تنش متناوب قرار گرفت، چگالی ترک سه برابر افزایش یافت.
مکانیزم: اگر آبکاری الکتریکی، آبکاری شیمیایی و سایر فرآیندها وضعیت تنش پوشش را کنترل نکنند، ممکن است تنش کششی برای متعادل کردن اثر تقویتی تنش فشاری سطح اضافه شود.
3. آسیب به سطح باعث ایجاد استرس می شود.
پس از سندبلاست با فشار بالا، ریزترک هایی روی سطح ایمپلنت های سرامیکی زیرکونیا ظاهر شد. در آزمایش‌های جویدن شبیه‌سازی‌شده، سرعت انتشار ترک دو برابر سریع‌تر از نمونه‌های تیمار نشده بود. این بدان معناست که خطر شکستگی زودرس در استفاده بالینی بسیار بیشتر است.
مکانیزم: اگر تنظیمات مربوط به عملیات مکانیکی مانند سندبلاست و سنگ زنی اشتباه باشد (مثلاً اگر فشار خیلی زیاد باشد یا ذرات ساینده خیلی کوچک باشند)، سطح ممکن است عمیق تر از لایه تنش فشاری آسیب ببیند که می تواند باعث شروع شکستگی شود.
نکته اصلی این است که اثر منفی عملیات سطحی بر استحکام ناشی از پردازش بد است نه خود تکنیک. برای حذف خطرات، باید پارامترها و کیفیت تست را بهینه کنید.
3، خواص مواد و سازگاری فرآیند: ایده اصلی پشت بهینه سازی استحکام
ویژگی‌های فیزیکی مواد مختلف، مانند سختی یا سختی آن‌ها و نحوه تغییر فاز آنها، مستقیماً بر نحوه انتخاب و تنظیم تکنیک‌های تصفیه سطح تأثیر می‌گذارد. روش های متداول برای اصلاح مواد به شرح زیر است:
1. مواد فلزی: متعادل کردن تنش فشاری و سختی باقیمانده
آلیاژ تیتانیوم: لایه برداری شات (با قطر 0.6 میلی متر و فشار 0.4 مگا پاسکال) اولین قدم برای جلوگیری از خراشیدگی سطح با مواد ساینده خشن مانند کاربید سیلیکون است. پس از پردازش، شستشوی اسیدی برای خلاص شدن از شر هرگونه ساینده ای که در سطح گیر کرده است مورد نیاز است.
آلیاژ آلومینیوم: برای ایجاد تنش فشاری پسماند بدون اینکه سطح بیش از حد ناصاف شود یا مقاومت خستگی آن کاهش یابد، از سندبلاست مهره‌ای شیشه‌ای (با اندازه ذرات 120 مش و فشار 0.3 مگاپاسکال) در ترکیب با آنودایز استفاده می‌شود.
فولاد ضد زنگ: برای متعادل کردن سختی سطح و مقاومت در برابر خوردگی، استفاده از نیتریدینگ در دمای پایین (520 درجه) و شات بلاست فولاد ضد زنگ (اندازه ذرات مش 80، فشار 0.5 مگاپاسکال).
2. مواد سرامیکی: سخت شدن از طریق تغییر فاز و کنترل آسیب
سرامیک زیرکونیا: فشار سندبلاست باید کمتر از 0.25 مگاپاسکال و زمان آن کمتر از 20 ثانیه باشد. این باعث می شود که عمق آسیب سطحی بیشتر از ضخامت لایه تنش فشاری (تقریباً 50 میکرومتر) نباشد. روش دیگر، حکاکی لیزری با چگالی انرژی کم (کمتر یا مساوی 5J/cm²) می تواند برای جلوگیری از ترک حرارتی استفاده شود.
سرامیک های نیترید سیلیکون: برای ایجاد ساختار ریز متخلخل، اچ شیمیایی (اسید مخلوط HF+HNO3) بهترین روش است. برای بهبود استحکام چسب بدون ایجاد آسیب مکانیکی، از قفل مکانیکی استفاده می شود.
3. مواد کامپوزیت: تقویت تماس و توقف لایه لایه شدن
پاشش پلاسما (قدرت 5 کیلو وات، سرعت جریان آرگون 30 لیتر در دقیقه) برای ایجاد یک لایه انتقال فلز بر روی سطح مواد کامپوزیتی تقویت شده با فیبر کربن استفاده می شود. این باعث می شود پوشش بهتر بچسبد و از شکستن الیاف در هنگام سندبلاست مستقیم جلوگیری می کند.
روکش لیزری (قدرت 2 کیلو وات، سرعت اسکن 10 میلی‌متر بر ثانیه) پوشش‌های مقاوم در برابر سایش را روی سطح مواد کامپوزیتی مبتنی بر فلز- رسوب می‌کند. گرمای ورودی به دقت مدیریت می شود تا از جدا شدن بستر و فاز تقویت کننده جلوگیری شود.
نکته اصلی این است که کیفیت مواد تعیین می کند که فرآیند چقدر سازگار است و پایگاه داده "عملکرد فرآیند مادی" باید برای هدایت طراحی پارامتر استفاده شود. به عنوان مثال، "مشخصات فرآیند تصفیه سطح" (GJB 5098-2008) پنجره فرآیند را برای مواد مختلف در منطقه هوانوردی تنظیم می کند.