Việc xử lý bề mặt có làm suy yếu độ bền của các bộ phận không?

一, Mục đích chính của việc xử lý bề mặt là đồng thời tăng cường và làm cứng.
Xử lý bề mặt không chỉ là một công nghệ; mục đích chính của nó là cải thiện hiệu suất bằng cách sửa đổi cách cấu trúc và ứng suất của bề mặt vật liệu. Có hai loại xử lý bề mặt chính dựa trên cách chúng hoạt động:
1. Xử lý cải tiến: làm cho bề mặt cứng hơn và chống mài mòn tốt hơn
Tăng cường độ sáng của viên đạn: Phương pháp này sử dụng-viên đạn tốc độ cao để chạm vào bề mặt và tạo ra lớp ứng suất nén dư dày tới 0,5 mm. Điều này có thể tăng cường độ bền mỏi lên hơn 200%. Ví dụ, việc mài mòn bắn có thể làm cho tuổi thọ mỏi của cánh động cơ hàng không kéo dài hơn 10 ^ 7 chu kỳ tải, từ 500 giờ đến 1500 giờ.
Làm mờ xung kích bằng laser: Tia laser năng lượng-cao tạo ra sóng xung kích plasma tạo ra một lớp ứng suất nén dư sâu 1 mm- trên bề mặt. Điều này làm cho kích thước hạt nhỏ hơn, giúp các bộ phận bằng hợp kim titan có khả năng chống mỏi cao gấp ba lần.
Carburizing/nitriding: Xử lý nhiệt hóa học tạo ra lớp cacbua hoặc nitrit rất cứng trên bề mặt (lên đến 1200HV), giúp bề mặt có khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều. Sau khi cacbon hóa, độ cứng bề mặt của bánh răng ô tô tăng từ 35HRC lên 60HRC và tuổi thọ của bánh răng được kéo dài gấp 5 lần.
2. Xử lý tăng cường: làm chậm sự lan rộng của vết nứt
Cán bề mặt: Bằng cách lăn một con lăn trên bề mặt, các khuyết tật trong quá trình xử lý sẽ được loại bỏ và tạo ra ứng suất nén dư. Điều này làm chậm tốc độ vết nứt lan rộng trong các bộ phận hợp kim nhôm tới 60%.
Làm cứng chuyển pha: Đối với các vật liệu như gốm zirconia, phun cát làm cho bề mặt thay đổi từ pha t sang pha m. Sau đó, ứng suất nén do giãn nở thể tích được sử dụng để chống lại lực khiến vết nứt lan rộng, khiến cường độ uốn tăng lên từ 15% đến 20%.
Kết luận chính: Xử lý bề mặt được thiết kế khoa học có thể làm cho các bộ phận bền hơn thay vì yếu hơn bằng cách sử dụng các phương pháp như ứng suất nén dư, sàng lọc hạt và gia cường biến đổi pha.
2, Mối nguy hiểm của tay nghề kém: điểm mấu chốt giữa việc nâng cao sức mạnh và làm cho hiệu suất kém hơn
Việc xử lý bề mặt có thể làm cho mọi thứ bền hơn, nhưng nếu các thông số của quy trình không được điều chỉnh hoặc các vật liệu không phối hợp tốt với nhau thì độ bền thực sự có thể giảm xuống. Điều này chủ yếu là do ba cơ chế sau:
1. Làm cứng quá nhiều sẽ khiến mọi thứ dễ gãy.
Một công ty đã sử dụng quá nhiều nhiệt độ xử lý cacbon hóa trên các van thép không gỉ để làm cho chúng có khả năng chống mài mòn tốt hơn. Điều này làm cho lớp cacbua trên bề mặt dày hơn 0,8 mm và cacbua tích tụ ở các ranh giới thớ, gây ra các vết nứt và khiến van bị hỏng sớm trong quá trình thử nghiệm áp suất.
Cơ chế: Khi độ cứng bề mặt cao hơn giới hạn độ bền của vật liệu lõi, các vết nứt có khả năng lan rộng từ lớp cứng, giòn sang lớp lõi mềm. Đây được gọi là chế độ hư hỏng "cứng và giòn".
2. Ứng suất kéo dư làm tăng tốc độ hình thành vết nứt.
Trường hợp: Việc xử lý mạ điện không đúng cách khiến ứng suất kéo dư tích tụ tại điểm tiếp xúc giữa lớp phủ và nền của trục hộp số ô tô nhất định. Mật độ vết nứt tăng gấp ba lần khi mẫu chịu ứng suất xen kẽ.
Cơ chế: Nếu mạ điện, mạ hóa học và các quy trình khác không kiểm soát được trạng thái ứng suất của lớp phủ, thì ứng suất kéo có thể được thêm vào để cân bằng tác dụng tăng cường của ứng suất nén bề mặt.
3. Bề mặt bị hư hỏng sẽ gây ra ứng suất.
Sau khi được phun cát ở áp suất cao, các vết nứt nhỏ xuất hiện trên bề mặt cấy ghép gốm zirconia. Trong các thử nghiệm nhai mô phỏng, tốc độ lan truyền vết nứt nhanh gấp đôi so với các mẫu không được xử lý. Điều này có nghĩa là nguy cơ gãy xương sớm trong sử dụng lâm sàng cao hơn nhiều.
Cơ chế: Nếu cài đặt sai cho các phương pháp xử lý cơ học như phun cát và mài (ví dụ: nếu áp suất quá cao hoặc các hạt mài mòn quá nhỏ), thì bề mặt có thể bị hư hỏng sâu hơn lớp ứng suất nén, có thể gây ra hiện tượng nứt vỡ.
Điểm chính là tác động tiêu cực của việc xử lý bề mặt đến độ bền là do quá trình xử lý kém chứ không phải do kỹ thuật. Để loại bỏ rủi ro, bạn nên tối ưu hóa các thông số và chất lượng kiểm tra.
3, Tính chất vật liệu và khả năng thích ứng quy trình: ý tưởng chính đằng sau việc tối ưu hóa sức mạnh
Các thuộc tính vật lý của các vật liệu khác nhau, như độ cứng và độ bền của chúng và cách chúng thay đổi pha, ảnh hưởng trực tiếp đến cách bạn chọn và thiết lập các kỹ thuật xử lý bề mặt. Sau đây là những cách phổ biến để sửa đổi tài liệu:
1. Vật liệu kim loại: cân bằng ứng suất nén dư và độ cứng
Hợp kim titan: Bắn mài (có đường kính 0,6mm và áp suất 0,4MPa) là bước đầu tiên để tránh làm trầy xước bề mặt với các chất mài mòn mạnh như cacbua silic. Sau khi xử lý, cần rửa axit để loại bỏ mọi chất mài mòn bám trên bề mặt.
Hợp kim nhôm: Để tạo ứng suất nén dư mà không làm cho bề mặt quá nhám hoặc làm giảm độ bền mỏi, người ta sử dụng phương pháp phun cát hạt thủy tinh (với cỡ hạt 120 lưới và áp suất 0,3MPa) kết hợp với anodizing.
Thép không gỉ: Sử dụng phương pháp thấm nitơ ở nhiệt độ thấp (520 độ ) và phun bi bằng thép không gỉ (cỡ hạt 80 lưới, áp suất 0,5 MPa) để cân bằng độ cứng bề mặt và khả năng chống ăn mòn.
2. Vật liệu gốm: tăng cường độ cứng thông qua thay đổi pha và kiểm soát hư hỏng
Gốm sứ Zirconia: Áp suất phun cát phải nhỏ hơn 0,25MPa và thời gian không quá 20 giây. Điều này sẽ giữ cho độ sâu hư hỏng bề mặt không lớn hơn độ dày của lớp ứng suất nén (khoảng 50 μm). Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp khắc laser với mật độ năng lượng thấp (Nhỏ hơn hoặc bằng 5J/cm2) để ngăn ngừa nứt nhiệt.
Gốm silicon nitride: Để tạo ra cấu trúc vi xốp, phương pháp ăn mòn hóa học (axit hỗn hợp HF+HNO3) là phương pháp tốt nhất. Để cải thiện độ bám dính mà không gây hư hỏng cơ học, người ta sử dụng khóa cơ học.
3. Vật liệu composite: tăng cường tiếp xúc và ngăn chặn sự phân tách
Phun plasma (công suất 5kW, tốc độ dòng argon 30L/phút) được sử dụng để tạo lớp chuyển tiếp kim loại trên bề mặt vật liệu composite gia cố bằng sợi carbon. Điều này làm cho lớp phủ bám dính tốt hơn và ngăn chặn các sợi bị đứt khi chúng được phun cát trực tiếp.
Lớp phủ laze (công suất 2kW, tốc độ quét 10mm/s) tạo ra lớp phủ-chống mài mòn trên bề mặt vật liệu composite bằng kim loại-. Nhiệt đầu vào được quản lý cẩn thận để giữ cho lớp nền và pha gia cố không bị tách rời.
Điểm chính là chất lượng của vật liệu quyết định mức độ thích ứng của quy trình và cơ sở dữ liệu "Hiệu suất quy trình vật liệu" phải được sử dụng để hướng dẫn thiết kế tham số. Ví dụ: "Đặc tả quy trình xử lý bề mặt" (GJB 5098-2008) đặt ra cửa sổ quy trình cho các vật liệu khác nhau trong lĩnh vực hàng không.