CC BY
59
Экспериментальное и теоретическое исследование мезоскопической деформации и разрушения при сжатии образцов малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в условиях мощных ультразвуковых колебаний
В.А. Клименов, С.В. Панин, P.P. Балохонов, О.Н. Нехорошков, В.И. Кузьмин1, Ж.Г. Ковалевская, 3. Шмаудер2
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
1 Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 2 Штутгартский университет, Штутгарт, D-70569, Германия
С использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC, методов металлографии и компьютерного моделирования проведено исследование влияния структуры напыленных покрытий из самофлюсующихся никелевых сплавов на прочностные свойства композиции «покрытие - основа», а также характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне и разрушение. Показано, что локальные «затекания» материала покрытия, возникающие при его оплавлении в условиях подвода к подложке мощных ультразвуковых колебаний, в значительной степени меняют характер его растрескивания. Данный эффект не оказывает значительного влияния на форму кривой течения при испытаниях на сжатие, однако диспергирование макроконцентраторов напряжений путем создания большого количества менее мощных мезоконцентраторов на локальных «затеканиях» материала покрытия в подложку должно в значительной степени отражаться на повышении усталостной прочности. Экспериментально и теоретически показано, что зарождение трещины в исследованных композициях при сжатии происходит на границе раздела между покрытием и основой.
1. Введение
Вопрос оптимизации режимов нанесения покрытий является ключевым при разработке современных высокоэффективных методов восстановления, защиты и упрочнения деталей машин. В рамках методологии физической мезомеханики материалов развивается подход, предусматривающий достижение максимальных эксплуатационных характеристик композиций «покрытие - основа» не только за счет получения однородной мелкозернистой структуры покрытия (что, как правило, решается в рамках физического материаловедения), но и создания в нем градиентной структуры, а также формирования (нанесения) промежуточных демпфирующих подслоев [1]. Последние призваны не только увеличивать адгезионную связь между покрытием и основой, но, прежде всего, создавать градиент физико-механических характеристик на границе раздела сопрягаемых материалов. При разработке материалов с градиентной структурой необходимо создавать адекватные матема-
тические модели, а затем проводить оптимизацию геометрических и макроструктурных параметров материалов с покрытиями при проведении численных экспериментов по их механическому нагружению [2, 3]. Это позволит создавать композиции с высокими характеристиками прочности и пластичности.
Вопрос построения адекватной модели развития пластической деформации не может быть успешно решен без проведения экспериментальных исследований. Одним из наиболее эффективных подходов к изучению поведения композиций «покрытие - основа» при механическом нагружении является использование оптикотелевизионного измерительного комплекса TOMSC [4]. С его помощью в условиях статического растяжения были выявлены закономерности формирования деформационной мезоструктуры при нагружении материалов с покрытиями [5], а также влияния на механические характеристики таких композиций толщины покрытия [6], геометрии границы раздела [7], градиентного
© Клименов В.А., Панин С.В., Балохонов P.P., Нехорошков О.Н., Кузьмин В.И., Ковалевская Ж.Г., Шмаудер 3., 2003
строения покрытия, наличия переходных слоев [8] и т.д. Заслуживают внимания и результаты оптико-телевизионных исследований поведения материалов с покрытиями в условиях статического сжатия. Среди них следует отметить результат, касающийся значительного влияния объема материала, одновременно вовлекаемого в сопротивление деформации, на величину напряжения течения [9], а также сопоставление влияния структуры покрытий, наносимых различными газотермическими методами, на характер развития деформации и разрушения [10].
Среди результатов компьютерного моделирования процессов деформирования материалов с покрытиями следует выделить следующие. В рамках конечно-разностного подхода без учета [3, 11, 12] и с учетом [3, 13] возникновения и распространения трещин вдоль границ расчетных ячеек были выявлены особенности возникновения концентраторов напряжений и их последующей релаксации с формированием специфических мезоструктур. При этом в работах [3, 11] моделировали влияние высокопрочного ионно-азотированного слоя на характер формирующейся в подложке мезострукту-ры, в то время как в статьях [12, 13] оценивали роль геометрии границы раздела на степень локализации деформации и ее влияние на вид диаграммы нагружения на примере боридных покрытий. В рамках дискретного метода подвижных клеточных автоматов в работе [14] исследовали влияние макроструктуры образцов на характер растрескивания покрытия, а также численно оценивали распределения компонент тензора деформации в процессе зарождения и распространения трещин.
Покрытия из самофлюсующихся никелевых сплавов, содержащих В, Сг и Si, широко применяются для упрочнения и восстановления деталей машин и оборудования, таких как штоки запорной арматуры, валы, крестовины и т.д. Вопросам нанесения таких покрытий с последующим оплавлением уделено достаточное внимание в научно-технической литературе [15-17]. Однако, поскольку в реальных условиях эксплуатации нагружению подвергается вся композиция в целом, а многие аспекты формирования покрытий изучены недостаточно глубоко, проблема прогнозирования и управления структурой и свойствами таких материалов по-прежнему является актуальной.
Большое значение для получения прочных композиций «покрытие - основа» имеет образование между их компонентами адгезионной связи после напыления и обеспечение условий сплавления при последующем оплавлении покрытия. При этом большое влияние на качество формируемых композиций оказывают изменения, происходящие в переходной зоне «покрытие -основа». Последние вызваны термическими и диффузионными процессами, которые в значительной степени определяют структуру и свойства компонентов и ком-
Горелка
Рис. 1. Схема оплавления покрытия при ультразвуковой обработке
позиции в целом. Известно, что из-за сильного различия физико-механических характеристик материалов покрытия и основы в процессе формирования композиции в покрытиях могут возникать неблагоприятные остаточные растягивающие напряжения, существенно снижающие прочностные характеристики композиции [18]. Одним из рациональных путей решения данной проблемы, обеспечивающим также снижение уровня структурной неоднородности оплавленных покрытий, является использование комбинированной технологии — традиционного газопламенного оплавления с одновременным приложением ультразвуковых колебаний [19].
В рамках проведения интеграционных исследований ставилась задача изучения влияния ультразвуковой обработки в процессе оплавления покрытий из самофлюсующихся никелевых сплавов на структуру, прочностные свойства композиции «покрытие - основа», а также характер развития пластической деформации в ней путем проведения экспериментальных оптико-телевизионных и теоретических (численный эксперимент) исследований. Полученные результаты были положены в основу данной статьи.
2. Материал и методика исследований
Для проведения эксперимента были приготовлены цилиндрические заготовки из стали Ст3 диаметром 20 мм. Напыление с последующим оплавлением проводилось порошком ПГ-12Н-02 с использованием горелки ГН-2. Подведение ультразвуковых колебаний осуществлялось с торца цилиндрического образца установкой УЗГ-2-4М (рис. 1).
Образцы для испытаний на сжатие вырезались из заготовок методом электроэрозионной резки и имели размер 3x3x5 мм3. Толщина покрытий составляла 300 мкм, что достигалось путем механической шлифовки заготовок на абразивном круге.
Для установления взаимосвязи между прочностными свойствами и структурой переходной зоны «покры-
тие - основа» композиций, оплавленных без ультразвуковой обработки и в условиях обработки ультразвуком, на поперечных шлифах образцов были проведены металлографические исследования на микроскопе МИМ-9, микрорентгеноспектральный анализ на растровом электронном микроскопе с рентгеновским спектрометром SEM Nanolab-7 и измерены значения микротвердости. Последняя измерялась на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на пирамидку 100 г.
Механические испытания образцов с покрытием, обработанных и не обработанных ультразвуком, в условиях одноосного сжатия проводили с использованием механических испытательных машин ИМАШ-2078 и Schenck-Sinus-100. Особенности развития пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях от начала нагружения до разрушения покрытия исследовали с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC-1 аналогично методике, описанной в работе [10]. После испытаний на сжатие был проведен фрактографический анализ поверхности покрытия разрушенных образцов обоих типов на растровом электронном микроскопе LEO 430.
Для решения задачи о деформации материала с покрытием на мезоуровне использовали методы механики сплошной среды. Общая система уравнений включает в себя законы сохранения массы, количества движения и определяющее соотношение релаксационного типа, дополненные начальными и граничными условиями. Для тензора напряжений предполагается обычное разложение на шаровую и девиаторную составляющие. Экспериментально наблюдаемая исходная внутренняя структура неоднородного образца учитывается явным образом. Отдельным элементам внутреннего строения (покрытие, основной материал) приписываются различные физико-механические характеристики. Кроме того, для соответствующих областей исследуемого ме-зообъема вводятся в рассмотрение различные модели реакции материала на внешнее воздействие.
Динамическая задача для условий плоской деформации решалась численно методом конечных разностей в переменных Лагранжа. Кратко охарактеризуем особенности этого подхода к решению задачи.
Стальная подложка и покрытие реагируют упругопластически по различным законам, учитывающим деформационное упрочнение. Для описания образования трещин в оплавленном покрытии использовался энергетический критерий разрушения. При этом для любой локальной области материала покрытия задается следующее условие: если интенсивность пластических деформаций достигает критической величины, равной
0.5 %, то все компоненты тензора девиатора напряжений в данной области стремятся к нулю. В случае, если объемная деформация в локальной области принимает отрицательное значение, давление также стремится к нулю. Таким образом, при выполнении критерия раз-
рушения материал в данной локальной области демонстрирует реакцию, аналогичную реакции несжимаемой жидкости. При этом плотность вещества остается постоянной и соответствует плотности нержавеющей стали.
3. Результаты эксперимента
3.1. Исследование структуры покрытий
Проведенные металлографические исследования позволили установить, что использование ультразвуковой обработки при оплавлении покрытий вызывает ряд структурных изменений. Уменьшается количество крупных зерен, а их микротвердость понижается в среднем на 200 МПа. Уменьшение размеров зерен свидетельствует об увеличении скорости кристаллизации расплава покрытия за счет роста числа центров кристаллизации в процессе ультразвуковой обработки. При этом происходит подавление дендритного роста кристаллов у-твердого раствора.
На границе раздела «покрытие - основа» после химического травления наблюдается формирование в покрытии «белой» полосы — прослойки, образующейся в результате контакта жидкой и твердой фаз при оплавлении покрытия (рис. 2, а) и представляющей собой твердый раствор железа в никеле. В случае оплавления покрытия совместно с ультразвуковой обработкой толщина этой прослойки увеличивается в результате интенсификации диффузии атомов Fe в покрытие (рис. 2, б). Наличие этой прослойки очень важно, так как она обеспечивает повышение диффузионной связи между покрытием и основой [17, 19]. При увеличении времени воздействия ультразвука по границам первичных аустенитных зерен происходит диффузия — «затекание» материала покрытия в основу (на рис. 2, б, в показано стрелками).
Количественный микрорентгеноспектральный анализ показывает наличие в прослойке высокого (до 80 %) содержания железа (рис. 3). В поверхностном слое материала стальной основы после оплавления покрытий и последующего охлаждения происходит образование зоны термического влияния, в которой происходят фазовые и структурные превращения [19]. В результате диффузии углерода из покрытия в основу исходная фер-рито-перлитная структура материала подложки превращается в перлитную (рис. 2, а, б).
Измерение микротвердости показало, что в покрытии, оплавленном при ультразвуковой обработке, наблюдается некоторое снижение микротвердости с 6600 до 6230 МПа (рис. 4), что объясняется, с одной стороны, повышенной диффузией атомов углерода в подложку, а с другой стороны, более активной диффузией атомов В и Si к поверхности с образованием защитных окис-ных пленок В2О3 и SiО2. В результате происходит некоторое обеднение материала покрытия легирующими
* * ', ipliie б
шщт а |!1!!
iiilili! illil
iinliii ill
1!|1Ш111
♦ 11
Рис. 2. Микроструктура оплавленных покрытий на основе композиции №-Сг-В^к без ультразвуковой обработки (а); подвергнутых ультразвуковой обработке (б, в). Размер изображения: 550x410 мкм2 (а, б); 900x680 мкм2 (в)
элементами. При этом увеличение диффузии углерода из покрытия в подложку повышает ее микротвердость на большей глубине по сравнению с не обработанными ультразвуком образцами (рис. 4).
3.2. Экспериментальное исследование процессов пластической деформации
На рис. 5 приведены кривые течения образцов с оплавленными газотермическими покрытиями, подвергнутыми ультразвуковой обработке и без таковой, и стали Ст3 без покрытия. Анализ приведенных кривых свидетельствует о том, что структурные изменения, происходящие в процессе оплавления покрытия, приводят к незначительному повышению напряжения течения композиции с оплавленным в условиях ультразвуковой обработки покрытием до и после начала его растрескивания (чему соответствует начало пологого участка каждой из приведенных кривых, рис. 5).
При статическом сжатии образцов с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки, пластическая деформация начинается с развития в подложке полосы Людерса. При 8 ^ 1.5 % деформационный рельеф был сформирован практически на всей поверхности подложки. После этого пластическая деформация в течение
длительного времени локализованно развивалась в области, оптическое изображение которой приведено на рис. 6, а. При этом образец испытывал локальный изгиб, вызванный несовместностью развития пластической деформации в покрытии и подложке, о чем свидетельствует картина распределения векторов смещений и представление сдвиговой компоненты тензора дис-торсии (рис. 6, б, в). На рис. 6 особое внимание следует обратить на формирование в подложке двух сопряженных полос локализованной пластической деформации, одна из которых выявляется металлографически (на рис. 6, а показана стрелкой), а вторая по распределению 8 компоненты тензора пластической дисторсии (обозначена стрелкой на рис. 6, в). Как показывают проведенные экспериментальные исследования, именно локализованное развитие деформации с формированием данных мезополос приводит к зарождению и последующему росту трещины в покрытии (в данном случае не магистральной, см. ниже рис. 11, а).
По мере увеличения степени деформации до значения 8 ^ 2.2 % в наблюдаемой области (рис. 7, а) развивается вихревое движение материала, о чем свидетельствует картина распределения векторов смещений (рис. 7, б). В покрытии же наблюдается локализация
с, вес. % 1 -
" Ni
60 .
Основа 40 Покрытие
20 1
i 1 1 1 1 Fe
80
40
0 40
X, мкм
80
го 7000 1=
х 5000 _й
\3
о
S
“ 3000 о
Q.
1000
| ■
- Основа Покрытие
: У г
1.1. г . 1.1.
-400 -200 0 200
Расстояние, мкм
400
Рис. 3. Распределение основных элементов (№, Fe) в переходной зоне Рис. 4. Распределение микротвердости вблизи границы раздела «по-
между покрытием (№-Сг-В^) и основой (Ст3) после оплавления крытие - основа»: без ультразвуковой обработки (1); при ультра-
[19] звуковой обработке (2)
0 5 10 15 20
Пластическая деформация в, %
Рис. 5. Кривые течения образцов с покрытиями, не обработанных (1) и обработанных ультразвуком (2) в ходе оплавления газотермических покрытий, и стали Ст3 (3)
деформации сдвигом одного фрагмента покрытия относительно другого (на рис. 7, а направления их относительного смещения показаны стрелками), которая пока не сопровождается нарушением сплошности. Локализация деформации, вызванная перемещением элементов мезоструктуры, также подтверждается распределением сдвиговой компоненты тензора дисторсии (рис. 7, в). Важно, что для данной полосы локализованной деформации (на рис. 7, в обозначена стрелкой) формируется сопряженная мезополоса, которая проявляется на оптических изображениях поверхности лишь при больших степенях деформации (на рис. 8, а она обозначена пунктирной стрелкой).
Особо следует отметить, что вплоть до глубоких степеней деформации адгезионного отслоения покрытия от подложки не происходит, что косвенно подтверждается картиной распределения векторов смещений, рассчитанной на данном этапе приращения нагрузки (рис. 7, б). Видно, что смещения участков поверхности как в покрытии, так и в расположенных под ним областях подложки совершенно идентичны.
При последующем увеличении времени нагружения вдоль такой полосы локализованного сдвига формируется трещина в покрытии (на рис. 8, а обозначена
сплошной стрелкой). Движение вдоль нее фрагментов покрытия приводит к возникновению мощных поворотных мод деформации, действие которых начинает «уводить образец с заданной оси нагружения». Последний тезис становится очевидным при анализе картины распределения векторов смещений (рис. 8, б), а также распределения поворотной компоненты тензора пластической дисторсии м^ (рис. 8, в). Подобный вид локализованного развития деформации приводит к образованию крупного мезообъема, визуально фиксируемого в виде треугольной области (на рис. 8, б обозначен пунктирной линией), размер которой превышает толщину покрытия примерно в полтора раза.
Перемещение фрагментов растрескавшегося покрытия друг относительно друга согласно схеме, показанной на рис. 7, а, приводит к возникновению полосы локализованного сдвига в покрытии слева от уже сформировавшейся трещины (обозначенной ранее сплошной стрелкой на рис. 8, а) на расстоянии нескольких сотен микрометров от последней (рис. 9, б). Развитие деформации в этой полосе обеспечивает возникновение поворотного момента противоположного знака, что позволяет «возвратить образец на заданную ось нагружения». Развитие деформации в такой полосе заканчивается образованием трещины (на рис. 9, а она обозначена стрелкой). Образование двух этих трещин определяет формирование второго, более крупного по сравнению с вышеописанным мезообъема. Перемещение его левой части как единого целого наглядно прослеживается на соответствующем оптическому изображению (рис. 9, а) поле векторов смещений (рис. 9, б). Подобный характер перемещения элементов мезо-структуры сопровождается развитием поворотных мод деформации, что подтверждается распределением поворотной компоненты тензора дисторсии м^ (рис. 9, в).
Последующее развитие деформации образца с растрескавшимся покрытием протекало путем поочередного интенсивного развития деформации в сопряженных полосах локализованной деформации. Данные процессы развивались на фоне бочкообразного формо-
Рис. 6. Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение сдвиговой компоненты тензора дисторсии (в) в образце с оплавленным покрытием; 8 = 1.65 %. Размер изображения здесь и на рис. 7-10 — 1.69 х 1.26 мм2
Рис. 7. Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение сдвиговой компоненты тензора дисторсии (в) в образце с оплавленным покрытием; 8 = 2.2 %
Рис. 8. Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) в образце с оплавленным покрытием; 8 = 7.1 %
Рис. 9. Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) в образце с оплавленным покрытием; 8 = 8.8 %
Рис. 10. Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) в образце с оплавленным покрытием; 8 = 9.1 %
Рис. 11. Изображения разрушенных образов Ст3, не обработанных (а) и обработанных ультразвуком (б) в ходе оплавления газотермических покрытий
изменения образца, при этом ранее сформировавшийся более крупный мезообъем в форме трехгранной призмы постепенно выдавливался из образца как единое целое и разбивался на более мелкие фрагменты (рис. 10, а, б). Данный результат аналогичен данным, полученным при растяжении ионно-азотированных образцов конструкционной стали [20]. Представление об общем виде данного мезообъема при наблюдении всего образца в растровом электронном микроскопе можно получить по фрактографической картине (рис. 11, а, обведен пунктирной линией).
При исследовании развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в образце с покрытием, оплавление которого производили в условиях ультразвукового воздействия, не удалось выявить такого же (как вышеописанном случае) сосредоточенного в определенном сечении композиции растрескивания покрытия, сопровождающегося ярко выраженной локализацией пластического течения. С целью дальнейшего выявления различий был проведен анализ изображений поверхности покрытия разрушенных образцов обоих типов, полученных с помощью растрового электронного микроскопа.
Анализ фрактографических макрокартин разрушенных образцов с покрытиями, подвергнутыми оплавлению без и при ультразвуковой обработке, показал следующее. При нагружении образцов первого типа макроразрушение покрытия происходит путем распространения одной магистральной трещины (на рис. 11, а обозначена стрелкой). Последнее имело место при возникновении одного мощного макроконцентратора напряжений вблизи захвата. В образце второго типа видно большое количество мелких трещин, но ни одна из них не является магистральной (рис. 11, б). Это свидетельствует о меньшей степени макроскопической локализации деформации в образце с покрытием, оплавленным при ультразвуковой обработке, что должно определяться формированием на границе раздела специфической мезоструктуры, характеризующейся локальным «затеканием» материала покрытия в подложку (см. рис. 2, б, в).
Тем не менее, несмотря на наличие «затеканий» в оплавленном при обработке ультразвуком покрытии, а также значительное различие в характере растрескивания вид кривых течения образцов обоих типов подобен. Для объяснения этого результата был проведен численный эксперимент по нагружению композиции с оплавленным при обработке ультразвуком покрытием.
3.3. Численный эксперимент
Для проведения численного эксперимента по сжатию образца с оплавленным в условиях ультразвуковой обработки покрытием была взята структура, приведенная на рис. 2, в, в качестве параметров материала покрытия использовались характеристики дисперсно-упрочненного никелевого сплава, для основы — стали Ст3. Карта представительного модельного мезообъема представлена на рис. 12. Граничные условия на левой и правой границах моделируют сжатие рассматриваемой области с постоянной скоростью. На верхней и нижней границах задаются условия свободной поверхности и симметрии соответственно.
На рис. 13 показана интегральная кривая течения для данного мезообъема. Напряжение рассчитывалось
Рис. 12. Структура стального образца с покрытием, оплавленным в условиях ультразвуковой обработки
Рис. 13. Интегральная кривая течения для мезообъема образца с оплавленным при обработке ультразвуком покрытием при сжатии
как осредненное по всей расчетной области значение интенсивности напряжений. Деформация представляет из себя относительное сжатие исследуемой области в направлении приложения нагрузки. Четко прослеживается стадийность кривой течения, которая обусловлена различной реакцией материалов подложки и покрытия на соответствующих этапах нагружения. Рассмотрим их более подробно.
- Область 1. Подложка и покрытие находятся в упругом состоянии.
- Область 2. В подложке при уровне напряжений примерно 450 МПа начинается пластическое течение, при этом покрытие остается в упругом состоянии. Данная область характеризуется максимальным коэффициентом деформационного упрочнения.
- Область 3. Как в подложке, так и в покрытии развивается пластическое течение, при этом увеличение степени деформации практически не сопровождается увеличением уровня внешней нагрузки.
- Область 4. Развитие пластической деформации в подложке сопровождается разрушением покрытия (образованием трещины). Увеличение степени деформации сопровождается резким уменьшением уровня деформирующих напряжений.
Последующий анализ процессов пластической деформации и разрушения, происходящих при сжатии образца с покрытием, оплавленным при ультразвуковой обработке, проводили по рассчитанным распределениям интенсивности пластической деформации, а также полям скоростей, представленным на рис. 14. Следует отметить следующие особенности приведенных картин.
1. Области локализации деформации не всегда соответствуют местам «затеканий».
2. В рассматриваемом представительном мезообъе-ме формируются две макрополосы локализованной де-
формации (на рис. 14, а показаны пунктирными стрелками), что обусловлено формоизменением образца.
3. Образованию трещины предшествует локализация деформации в области границы раздела, сопровождающаяся формированием мезополос локализованной деформации (на рис. 14, а обозначены сплошными стрелками). При этом некоторая степень пластичности покрытия обусловливает распространение таких мезополос из основы в покрытие.
4. Распространение трещины в покрытии начинается от границы раздела в направлении, совпадающем с ориентацией мезополосы локализованной деформации (рис. 14, д).
5. Распространение трещины обусловливает формирование мезообъема в форме треугольной области, движение которой имеет ротационный характер (рис. 14, к).
4. Обсуждение результатов
Обсуждение результатов начнем с сопоставления полученных в работе кривых течения с кривыми для образцов с покрытиями, нанесенными методом активированной дуговой металлизации и газопламенного напыления [10]. Напомним, что напряжение течения в таких образцах при приложении нагрузки параллельно границе раздела составляло ~80 МПа, в то время как для исследовавшихся оплавленных образцов это значение превышало 400 МПа. По нашему мнению, чрезвычайно низкое значение а02 для напыленных образцов объясняется двумя факторами. Во-первых, сдерживанием покрытием деформации с одной стороны образца и ее крайне локализованным развитием на другой, «свободной» поверхности (при условии, что напряжение течения вычисляется как отношение нагрузки к площади всего поперечного сечения образца). Во-вторых, невыполнением для этих композиций закона аддитивности, поскольку высокая пористость и более низкая по сравнению с оплавлеными покрытиями величина когезионной связи, а также возникновение на границе раздела мощных концентраторов напряжений должны приводить к образованию несплошностей и трещин. Следует также учитывать, что предел прочности напыленных покрытий при растяжении не превышает величины 120 МПа.
Оплавленные покрытия близки по характеристикам к литым материалам. Поэтому есть все основания полагать, что для данной композиции закон аддитивности выполняется, в результате чего напряжение течения образца с покрытием превышает таковое для материала подложки (рис. 5).
Однако, в целом, наличие «затеканий» материала покрытия в подложку не может кардинально изменить макрокартину развития деформации в композициях с оплавленными покрытиями. При нагружении таких композиций происходит лишь перераспределение кон-
■11 II
fllij ЙШ!
ш , д
——
Hi', iw';;' ? ??-Г:'. J ~: Г:$ ; Н
Рис. 14. Распределение пластической деформации (а, в, д, ж, и) и поля скоростей (б, г, е, з, к) при образовании трещины в покрытии, оплавленном при ультразвуковой обработке, для моментов (а), (Ь), (с), ($) и (е), обозначенных точками на рис. 13
центраторов напряжений на границе раздела, а форма кривых течения остается подобной. Напомним, что при сжатии, в отличие от растяжения, определяющую роль играют не нормальные, а максимальные касательные напряжения. В результате, при сжатии от захватов формируются две макрополосы локализованной деформации. Таким образом, при данных условиях нагружения подобное изменение структуры покрытия не оказывает значительного влияния на форму кривой течения, однако оно должно существенно сказываться на повышении усталостной прочности таких композиций.
Стоит отметить, что формирование оплавленного покрытия, характеризующегося наличием «затеканий» материала покрытия в подложку, аналогично формированию боридных покрытий, имеющих игольчатую структуру. Согласно результатам исследований наличие последних приводит к перераспределению концентраторов напряжений на границе раздела [7], что существенно сказывается на характере растрескивания таких покрытий и уменьшает влияние процессов локализации деформации. В то же время, развитие макродеформации в таких образцах, особенно в условиях сжатия, в меньшей степени зависит от игольчатой структуры слоя, который выступает как единый слой, имеющий среднюю толщину.
Важным экспериментальным результатом, полученным в данной работе, является дополнительное подтверждение определяющей роли границы раздела в развитии и локализации пластической деформации в композициях «покрытие - основа». Напомним, что впервые подобный результат в рамках подхода физической мезо-механики материалов был описан в работе [8] при растяжении образцов малоуглеродистой стали с электронно-лучевым покрытием. В условиях сжатия на покрытие действуют два типа растягивающих напряжений: первые определяются бочкообразным формоизменением образца, при этом на свободной поверхности покрытия должны возникать максимальные растягивающие напряжения; вторые определяются несовместностью развития пластической деформации в основе и покрытии. Полученные в настоящей работе данные о зарождении трещины вблизи границы раздела позволяют утверждать, что уровень локальных напряжений на границе раздела может значительно превышать уровень средних напряжений, прикладываемых к образцу. Необходимо отметить, что подобный эффект был получен как в экспериментальных исследованиях, так и в численных расчетах.
При сравнении результатов данной работы с данными аналогичных экспериментов, проведенных с покрытиями, нанесенными методами активированной дуговой металлизации и газопламенного напыления, особого внимания заслуживает характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне перед разрушением покрытия. Напомним, что перед образо-
ванием в напыленных покрытиях магистральной трещины [10] в подложке наблюдался вихревой характер пластического течения, вызванный значительным различием механизмов пластической деформации в покрытии и подложке. Если в покрытии основное формоизменение осуществляется за счет нарушения механического контакта по границам сплэтов (частиц), при меньшей деформации внутри их объема, а также за счет «сминания» пор, то в подложке пластическая деформация преимущественно развивается за счет механизмов дислокационной природы. В настоящей работе подобие механизмов пластической деформации в оплавленном покрытии и подложке приводит к другому механизму деформации, связанному с формированием в подложке, а затем и в покрытии, мезополос локализованной деформации. Последние, по всей видимости, играют роль складок избыточного материала, возникающего за счет различия в степенях формоизменения покрытия и подложки. Возникающий в месте их соединения мезоконцентратор напряжений способствует разрушению покрытия.
5. Заключение
1. В результате использования ультразвуковой обработки при оплавлении нанесенного покрытия наблюдаются три основных эффекта:
1) структура покрытия становится более дисперсной и однородной, что в целом улучшает прочностные свойства покрытия и композиции;
2) на границе раздела «покрытие - основа» расширяется диффузионная зона и тем самым сглаживается резкое изменение физико-механических свойств при переходе от покрытия к подложке;
3) образование локальных «затеканий» материала покрытия в основу по границам первичных аустенит-ных зерен приводит к повышению адгезии, а также обеспечивает диспергирование макроконцентратора напряжений на захватах за счет создания большего количества локальных мезоконцентраторов напряжений.
2. Подобие механизмов пластической деформации в покрытии и подложке при нагружении сжатием обусловливает в качестве основного механизма деформации на мезоуровне всей композиции формирование мезопо-лос локализованной деформации в обоих компонентах с последующим зарождением и ростом трещины от границы раздела. В композициях с неоплавленными напыленными покрытиями механизмы пластической деформации отличаются: развитие деформации во всей композиции имеет вихревой характер, что сопровождается формированием магистральной трещины по адгезионно-когезионному механизму и характеризуется высокой скоростью ее распространения.
3. Несовместность развития пластической деформации в покрытии и основе приводит к возникновению
на границе зон концентрации напряжений, уровень которых может значительно превышать уровень растягивающих напряжений, действующих на свободную поверхность покрытия при бочкообразном формоизменении образца. В результате, при сжатии образца с оплавленным покрытием трещина зарождается и распространяется от границы раздела к поверхности покрытия.
4. Оплавление напыленных покрытий, совмещенное с ультразвуковой обработкой, за счет интенсификации процессов перемешивания и создания локальных «затеканий» позволяет создавать композиции, обладающие свойствами, подобными электронно-лучевым покрытиям (имеющим градиентное строение) и боридным упрочняющим слоям (имеющим игольчатую структуру). Формирование такой структуры не приводит к значительному изменению формы кривой течения при сжатии, однако должно значительно повышать усталостную прочность.
Благодарности
Работа выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 45 «Разработка принципов мезомехани-ки поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники», молодежного проекта РАН № 98 «Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики», проекта РФФИ-БРФФИ N° 02-01-81003 Бел2002 «Механика пластической деформации и разрушения поверхностно-упрочненных твердых тел». Часть работы была выполнена при поддержке фонда INTAS, проект YSF02-159/D.
Авторы также выражают благодарность ведущему научному сотруднику Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН М.П. Бондарь за помощь в съемке РЭМ-изображений растрескавшихся покрытий на микроскопе LE0-430.
Литература
1. Panin V.E., Belyuk S.I., Durakov VG., Panin S.V., Galchenko N.K., Samartsev V.P. Structure and mesoscale plastic deformation and fracture patterns of materials coated by electron-beam deposition // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. - 2002. -No. 23.- P. 1-13.
2. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов. Физика. - 1995. - № 11. - С. 6-25.
3. Панин С.В., Смолин И.Ю., Балохонов P.P. и др. Мезомеханика границ раздела в материалах с поверхностным упрочнением и покрытиями // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 42. - № 3. - С. 4-24.
4. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Парфенов А.В., Не-руш Г.В., Панин С.В. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезоме-
ханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.
5. Панин С.В. Особенности формирования мезоскопической структу-
ры в материалах с покрытиями при различных схемах нагружения // Вопросы материаловедения. - 2002. - Т. 29. - № 1. - С. 345-359.
6. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А., Овечкин Б.Б., Молчуно-ва И.Ю. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно-упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 6. - С. 63-69.
7. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., Почивалов Ю.И., Сизова О.В.
Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне бори-рованных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
8. Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
9. Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина Н.А., Литвиненко А.В. Влия-
ние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 105-110.
10. Витязь П.А., КлименовВ.А., Панин С.В., Нехорошков О.Н., Бело-церковский М.А., Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. Влияние структуры и свойств покрытия и основы на поведение композиции «сталь 40X13 - малоуглеродистая сталь» в условиях деформации сжатием // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 1. - С. 37-49.
11. Макаров П.В., Pоманова В.А., Балохонов P.P. Моделирование неоднородной пластической деформации с учетом зарождения локализованных пластических сдвигов на границах раздела // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 5. - С. 29-39.
12. Balokhonov R.R., Panin S.V., Romanova V.A., Makarov P. V Simulation of stress concentration and localized plastic flow in coated materials on the mesolevel // Proc. Int. Conf. on New Challenges in Meso-mechanics, Aalborg University, Denmark, 26-30 August 2002. -P. 587-590.
13. Стефанов Ю.П., Смолин И.Ю. Численное исследование деформации и образования трещин в плоских образцах с покрытиями // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. - С. 35-43.
14. Псахье С.Г., Моисеенко Д.Д., Смолин А.Ю., Шилько Е.В., Дмитриев А.И. Исследование особенностей разрушения хрупких керамических покрытий на основе метода подвижных клеточных автоматов // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 2. - С. 95-100.
15. КлименовВ.А., Панин С.В., БезбородовВ.П. Исследование характера деформации на мезомасштабном уровне и разрушение композиции «газотермическое покрытие - основа» при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - № 2. - С. 141-156.
16. Безбородов В.П., Нехорошков О.Н., Ковалевский Е.А. Структура и свойства композиций «покрытие из самофлюсующегося никелевого сплава - стальная основа» после оплавления и отжига // Перспективные материалы. - 2001. - № 5. - С. 82-89.
17. АрабьянЛ.К., ЗасыпкинИ.М., КузьминВ.И., ТокаревА.О. Плазмоструйное оплавление порошковых покрытий // Материалы XI Все-союз. конф. «Генераторы низкотемпературной плазмы». - Новосибирск: Наука, 1989. - С. 384-385.
18. ТушинскийЛ.И., Плохов А.В., Столбов А.А., СиндеевВ.И. Конструктивная прочность композиции «основной металл - покрытие». - Новосибирск: Наука, 1996. - 296 с.
19. Безбородов В.П., Нехорошков О.Н., Ковалевский Е.А. Структурнофазовые особенности формирования газотермических покрытий из никелевых сплавов при оплавлении и ультразвуковой обработке // Перспективные материалы. - 2000. - № 4. - С. 64-68.
20. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // Физика металлов и металловедение. - 1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
Experimental and theoretical study of mesoscopic deformation and fracture of compressed low-carbon steel specimens with sprayed coatings fused under powerful ultrasonic vibrations
V.A. Klimenov, S.V. Panin, R.R. Balokhonov, O.N. Nekhoroshkov, V.I. Kuzmin1, Zh.G. Kovalevskaya, and S. Schmauder 2
Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
2 Stuttgart University, Stuttgart, D-70569, Germany
Using the television-optical measuring complex TOMSC and techniques of metallographic analysis and computer simulation, the effect of the structure of sprayed coatings of self-fluxing nickel alloys on the strength properties of the “coating - substrate” composition was investigated. Plastic deformation development at the mesolevel and fracture was studied as well. It was shown that the character of coating cracking is changed considerably when powerful ultrasonic vibrations are applied to the substrate. In so doing, the coating is fused and the coating material locally “diffuses” into the substrate. This is slightly manifested on the flow curve in compression tests. However, stress macroconcentrators relax due to generation of a large number of mesoconcentrators at the sites of local “diffusion” of the coating material into the substrate, which should significantly increase fatigue strength. It was shown theoretically and experimentally that cracks in compressed compositions under study nucleate at the “coating - substrate” interface.
