Динамика разрушения при микроиндентировании покрытия нитрида титана, полученного вакуумно-дуговым методом на стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.015

Динамика разрушения при микроиндентировании покрытия нитрида титана, полученного вакуумно-дуговым методом на стали

О.А. Дручинина, В.А. Харченко

Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Белгород, 308015, Россия

В работе были представлены исследования динамики разрушения при микроиндентировании покрытия нитрида титана, полученного импульсным вакуумно-дуговым методом на стали. Показано, что покрытие задерживает процессы пластической деформации поверхностных слоев на микроуровне. При увеличении нагрузки и внедрении индентора на глубину, превышающую толщину покрытия, происходит его разрушение, что проявляется возникновением на поверхности замкнутых кольцевых трещин вокруг отпечатка и изменением значений измеряемой микротвердости системы «покрытие - подложка».

Ключевые слова: покрытие нитрида титана, микротвердость, пластическая деформация, хрупкое разрушение, система «покрытие - подложка»

Microindentation-induced fracture dynamics in a vacuum arc-deposited titanium nitride coating of steel

O.A. Druchinina and V.A. Kharchenko

Belgorod State National Research University, Belgorod, 308015, Russia

The paper studies fracture dynamics in microindentation of a titanium nitride coating obtained on steel by pulsed vacuum arc deposition. It is shown that the coating retards microscale plastic deformation of surface layers. Increasing the load with indenter penetration to a depth larger than the coating thickness causes fracture of the coating, as evidenced by closed ring surface cracks around the indent and by a change in the microhardness of the coating-substrate system.

Keywords: titanium nitride coating, microhardness, plastic deformation, brittle fracture, coating-substrate system

1. Введение

Современный уровень развития промышленности требует создания однородных многофункциональных покрытий, обладающих высокой износостойкостью, контактной выносливостью, коррозионной стойкостью и т.д. В последние годы для повышения долговечности деталей и конструкций используются ионно-плазмен-ные методы обработки. Получаемые таким способом покрытия характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, что позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2-10 раз по сравнению с режущим инструментом без покрытия [1].

Тонкие поверхностные слои деталей машин во многих случаях определяют их основные эксплуатационные характеристики. Общепринятым способом оценки

свойств тонких поверхностных слоев является метод микроиндентирования.

Анализ литературы показывает, что при определении такой механической характеристики поверхности материала с покрытием, как микротвердость, следует учитывать толщину покрытия, нагрузку и глубину проникновения индентора [2, 3]. При этом если в процессе испытания глубина проникновения индентора превышает толщину покрытия, получаемые экспериментально значения в этом случае соответствуют микротвердости именно композиции «пленка - подложка». С увеличением толщины покрытия и уменьшением нагрузки на индентор покрытие влияет на поведение композиции при нагружении, поскольку перераспределяет напряжения в системе при воздействии на нее индентора [3, 4].

© Дручинина О.А., Харченко В.А., 2014

В то же время увеличение нагрузки в процессе испытания на микротвердость приводит к началу пластических деформаций и разрушению покрытия в месте внедрения индентора. Исследование динамики разрушения покрытия нитрида титана, полученного импульсным ва-куумно-дуговым методом на стали, при микроинденти-ровании представляет практический интерес.

2. Методика проведения эксперимента

Нанесение покрытия нитрида титана осуществлялось в вакуумной камере установки УВНИПА-1-002, оснащенной двумя электродуговыми источниками плазмы. Процесс включал два основных этапа: очистку поверхности подложки и конденсацию.

Очистка предварительно механически полированных, обезжиренных образцов (47.7x8.7x1.2 мм) стали 12Х18Н10Т производилась в вакууме (2.4 • 10-3 Па) путем распыления поверхностных слоев ускоренными ионами титана. Процесс конденсации осуществлялся непосредственно после операции очистки поверхности при снижении ускоряющего потенциала.

Для получения конденсата, представляющего собой соединение титана с азотом, в камеру при помощи игольчатого натекателя вводился азот. Его давление поддерживалось на заданном уровне и контролировалось вакуумметром ВМБ-14. Время конденсации составляло 11 и 22 мин.

Микроиндентирование образцов производилось с использованием микротвердомера DM8-B в диапазоне нагрузок 0.098-1.960 Н. Исследование поверхности и измерение толщины покрытий проводили с использованием растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

Известно, что процесс разрушения материалов начинается с локализации пластической деформации вблизи структурных неоднородностей и концентраторов напряжения, вызывающих формирование зоны деформации, накопление в ней микродефектов и в конечном счете образование трещин. Закономерности формирования и размер зоны пластической деформации зависят от структуры материала и локального напряженного состояния. Условиями разрушения являются концентрация механических напряжений и их высокий градиент, что в данном случае проявляется при воздействии сосредоточенной нагрузки в процессе микроиндентирова-ния.

Результаты исследования показывают, что при нагрузке на индентор 0.025 Н сопротивление индентору оказывают и покрытие TiN, и подложка (рис. 1, а, б). При этом деформация внутри отпечатка носит ступен-

чатый характер, а на поверхности покрытия отчетливо видны изломы.

При увеличении нагрузки и внедрении индентора на глубину, превышающую толщину покрытия, происходит его разрушение, что проявляется возникновением на поверхности замкнутых кольцевых трещин вокруг отпечатка (рис. 1, в-з). Факт возникновения замкнутых кольцевых трещин свидетельствует об изменении механизма локализованной деформации.

С увеличением толщины слоя нитрида титана до 10 мкм меняется характер поведения подложки с покрытием при локальном нагружении в процессе микро-индентирования. При нагрузке на индентор 0.098 и 0.196 Н в остаточных отпечатках не наблюдается начальных процессов разрушения, покрытие пластически деформируется под воздействием нагрузки (рис. 2, а, б).

При данной толщине покрытия его разрушение начинается с увеличением нагрузки на индентор до 0.49 Н (рис. 2, в, г). Деформация внутри отпечатка имеет ступенчатый характер и по контуру отпечатка образуются трещины.

При дальнейшем увеличении нагрузки на поверхности покрытия начинают возникать замкнутые кольцевые трещины (рис. 2, д—з) и происходит деформирование материала в центре остаточного отпечатка после микроиндентирования (рис. 2, ж, з).

Для оценки влияния покрытия на прочностные свойства системы «покрытие - подложка» дополнительно были проведены измерения микротвердости образцов в зависимости от нагрузки на индентор. Данные измерений представлены на рис. 3.

Для нагрузки 0.025 Н величина микротвердости образцов с покрытием увеличилась по отношению к исходной подложке в 2.6 раза при толщине покрытия 5 мкм и более чем в 7 раз при толщине покрытия 10 мкм. При этом процессы хрупкого разрушения отдельных микрообъемов покрытий, сопровождающие процесс микроиндентирования при увеличении нагрузки на индентор, влияют на значения измеряемой микротвердости системы «покрытие - подложка».

Данные исследования показывают, что покрытие нитрида титана задерживает процессы пластической деформации поверхностных слоев на микроуровне. Затрудняется формирование деформационного рельефа, т.е. замедляются процессы пластической деформации на микроуровне не только поверхностных, но и внутренних объемов деформируемого тела. Таким образом, напряжения, необходимые для начала пластической деформации в результате поверхностного упрочнения, повышаются, т.е. поверхностное упрочнение повышает эффективный предел текучести.

Можно предположить, что «... в результате различия модулей упругости покрытия и подложки распределения напряжений и деформаций неоднородны уже на ста-

Рис. 1. Отпечатки на поверхности покрытия толщиной 5 мкм при нагрузке на индентор 0.025 (а, б), 0.050 (в, г), 0.980 (<), е), 1.960 Н (ж, з)

5 мкм I-1

5 мкм

5 мкм

Рис. 2. Отпечатки на поверхности покрытия толщиной 10 мкм при нагрузке на индентор 0.098 (а), 0.196 (б), 0.490 (в, г), 0.980 (д, е), 1.960 Н (ж, з)

2500 т

^ 2000 -

Й 1500-

о

«

Он

| 1000-

Он ^

к

^ 500-

А

о —

0.025 0.050 0.100 0.200 0.500 Нагрузка на индентор, Н

Рис. 3. Зависимость микротвердости системы «покрытие -подложка» от нагрузки на индентор

дии упругого деформирования материалов. Концентрация напряжений вблизи границы раздела «покрытие -подложка» усиливается при пластическом течении подложки, когда в стальной основе зарождаются первые пластические сдвиги» [4].

На стадии разрушения «... происходит растрескивание покрытия. Первоначально локальная область разрушения зарождается вблизи наиболее мощного концентратора напряжений на границе раздела «покрытие -подложка». В результате окружающие области начинают интенсивно деформироваться, формируется новый концентратор на границе зоны разрушения и трещина распространяется в направлении перпендикулярном приложению нагрузки. Данный процесс сопровождается релаксацией напряжения по объему — происходит разгрузка материала покрытия. При этом стальная подложка продолжает деформироваться пластически в соответствии с законом упрочнения. При дальнейшем нагружении общий уровень напряжений растет, и интенсивность напряжений увеличивается от другого концентратора. Как только она достигает критической величины, распространяется новая трещина, вызывая раз-

грузку покрытия и интенсивное пластическое течение в подложке. Затем зарождается третья трещина, процесс повторяется и реализуется множественное растрескивание покрытия» [4].

4. Выводы

В работе проведены исследования динамики разрушения покрытия нитрида титана, полученного импульсным вакуумно-дуговым методом на стали, при микро-индентировании. Показано, что покрытие нитрида титана задерживает процессы пластической деформации поверхностных слоев на микроуровне. Анализ результатов измерений позволяет говорить о том, что для нагрузки

0.025.Н микротвердость системы «покрытие - подложка» увеличилась по отношению к исходной подложке в 2.6 раза при толщине покрытия 5 мкм и более чем в 7 раз при толщине покрытия 10 мкм. При увеличении нагрузки и внедрении индентора на глубину, превышающую толщину покрытия, происходит его разрушение, что проявляется возникновением на поверхности замкнутых кольцевых трещин вокруг отпечатка и изменением значений измеряемой микротвердости системы «покрытие - подложка».

Исследования выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».

Литература

1. Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин A.B., Порохин С.С. Применение износостойких покрытий для торцевых фрез // Фундаментальные исследования. - 2005. - № 8. - С. 94-95.

2. ЛалазароваH.A. Определение твердости тонких покрытий // Вестник ХНАДУ. - 2009. - Вып. 46. - С. 52-54.

3. Дручинина O.A., Камышанченко H.B. Влияние сверхтвердой углеродной пленки нанометровой толщины, полученной импульсным вакуумно-дуговым методом, на микротвердость композиции «покрытие - подложка» // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности: Сб. материалов. - СПб, 2007. - Ч. 1. - С. 122-126.

4. Балохонов P.P., Романова В.А. Моделирование деформации и разрушения материалов с покрытиями различной толщины // Физ. мезомех. - 2009. - Т. 12. - № 5. - С. 45-55.

Поступила в редакцию 14.10.2013 г.

Сведения об авторах

Дручинина Оксана Александровна, к.ф.-м.н., снс НИУ «БелГУ», druchinina@bsu.edu.ru Харченко Владимир Алексеевич, мнс НИУ «БелГУ»