CC BY
238
Исследование механизмов усталостного разрушения конструкционной стали 20X13 и ее композиций с наплавленными покрытиями
А.Ю. Быдзан, С.В. Панин, В.Г. Дураков
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследованы механизмы пластической деформации и разрушения конструкционной стали 20X13 и ее композиций с наплавленными покрытиями в условиях циклического нагружения. Полученные результаты позволили представить эволюцию пластической деформации и нарушения сплошности при усталостном разрушении в виде иерархии масштабных уровней деформации и разрушения. Изучены мезо- и макроскопические особенности усталостного разрушения композиций с наплавленными покрытиями двух типов. Показана принципиальная роль границы раздела «покрытие - основа» при зарождении усталостной трещины в композициях, характеризующихся значительным градиентом механических характеристик.
1. Введение
Усталостное разрушение металлических материалов характеризуется значительным разнообразием механизмов пластической деформации и разрушения [1-3], а смена механизмов обусловливает переход от одной стадии усталостного разрушения к последующей [3, 4]. Механизмы образования и роста усталостных трещин исследуются на протяжении многих лет и достаточно глубоко изучены.
Вместе с тем, в последние годы убедительно показано, что при изучении явлений усталости необходимо рассматривать масштабный аспект процессов пластической деформации и нарушения сплошности [5-7]. В настоящее время принято считать, что поведение твердого тела в условиях переменного нагружения, как и при любом виде нагружения, есть совокупность процессов, определяемая иерархией масштабных уровней деформации и разрушения и характеризующаяся определенной стадийностью [4, 7, 8]. В связи с этим при изучении механизмов усталостного разрушения важно учитывать взаимосвязь процессов пластической деформации и разрушения, степень их локализации и т.д. Хорошие перспективы в этом направлении открывает использование оптико-телевизионных измерительных систем, принцип действия которых основан на компью-
терной обработке оптических изображений поверхности циклически нагружаемых структурно-неоднородных материалов [9].
Исследования механического поведения структурно-неоднородных материалов при приложении к ним внешних нагрузок, проводимые в рамках методологии физической мезомеханики, позволили выявить принципиальную роль процессов на внутренних границах раздела в развитии пластической деформации и последующем разрушении [10]. Особую актуальность процессы на внутренних границах раздела приобретают при нагружении материалов с покрытиями. Последние, как правило, предназначены для повышения износостойкости или придания конструкционным материалам дополнительных функциональных свойств. В то же время, различие механических характеристик покрытия и подложки приводит к возникновению мощных концентраторов напряжений, релаксация которых происходит за счет растрескивания покрытия и распространения в подложке полос локализованной пластической деформации. Впервые подробное рассмотрение этих процессов при статическом растяжении ионно-азотированных образцов конструкционных сталей в рамках методологии физической мезомеханики было проведено в работах [11, 12]. Однако подробных исследований процес-
© Быдзан А.Ю., Панин С.В., Дураков В.Г, 2002
сов усталостного разрушения в рамках данного подхода в литературе практически нет.
Следует отметить, что влияние покрытий на усталостную прочность композиционных материалов подробно проанализировано в работе [13] на примере газотермических покрытий. При этом показано, что покрытие, как правило, обусловливает снижение предела выносливости композиций «основной металл - покрытие». Модель зарождения усталостных трещин в материалах с покрытиями, предложенная в [14], предполагает сдерживание пластической деформации в приповерхностном слое основного металла. При этом на границе раздела плотность дислокаций увеличивается, что приводит к возникновению растягивающих напряжений и образованию в покрытии микротрещин, прорастающих в основной металл.
В работах [15, 16] анализировали усталостную прочность композиций с покрытиями, нанесенными электролитическим способом. При этом отмечалось, что основной причиной снижения предела выносливости является наличие вблизи границы раздела остаточных растягивающих напряжений, а величина снижения предела выносливости зависит от толщины покрытия.
Особое место занимает вопрос о месте зарождения усталостной трещины. В литературе преобладает мнение о том, что именно поверхность покрытия является источником микротрещин, что снижает усталостную долговечность [13]. Подобные результаты описаны при изучении процесса циклического нагружения вольфрам- и молибденсодержащих покрытий. В то же время, в работах [13, 17] указывается на то, что наличие остаточных сжимающих напряжений либо специфика адгезионного соединения покрытия с основой могут приводить к образованию очага зарождения усталостной трещины под покрытием.
В данной работе ставилась задача с использованием оптико-телевизионных измерений, а также средств фрактографии исследовать механизмы усталостного разрушения конструкционной стали и ее композиций с двумя типами защитных покрытий. Для нанесения последних использовали метод электронно-лучевой наплавки [18], позволяющий наносить композиционные износостойкие покрытия, характеризующиеся значительной адгезионной прочностью. Исследования механизмов деформации на мезо- и макромасштабных уровнях композиций «конструкционная сталь - электронно-лучевое покрытие» при статическом растяжении и износе в парах трения уже проводились [19, 20]. Представляет интерес проследить развитие этих процессов при приложении к образцам циклических нагрузок.
2. Материал и методика исследований
В качестве материала для экспериментальных исследований использовали сталь 20Х13. Образцы изго-
/
; ь
Трещина ^
jl \ ! ^2
k- s2
Рис. 1. К описанию методики измерения длины l и ширины 5 раскрытия усталостной трещины
тавливали в виде прямоугольных пластин размером 80х7х 1.5 мм3. Для получения композиций применяли установку электронно-лучевой наплавки [18]. Покрытия наплавляли с использованием порошковых составов двух типов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01. Толщина наплавленного слоя составляла 0.5 мм, толщина образцов с двусторонней наплавкой — 2.5 мм.
Механические испытания образцов проводили в условиях знакопеременного симметричного консольного изгиба с заданной амплитудой деформации. Амплитуда деформации задавалась таким образом, чтобы долговечность образца Np соответствовала нижнему уровню и составляла 50^70-103 циклов.
Наблюдение за кинетикой процессов усталостного разрушения проводили средствами оптической микроскопии на боковой грани образцов в области максимального изгиба [21]. При этом проводили измерения длины l и ширины раскрытия 5 усталостной трещины (рис. 1), оценивали скорость изменения этих величин — Al/ AN и As/ AN. С целью исследования механизмов пластической деформации использовали методику измерения смещений U(х, у) участков поверхности в области вершины усталостной трещины с использованием комплекса TOMSC [9]. Для оценки интенсивности пластической деформации в области вершины трещины по измеренным смещениям U(х, у) вычисляли значения компонент 8хх, 8уу, 8ху тензора пластической дистор-сии и главного пластического сдвига у [22].
Изучение механизмов разрушения образцов проводили путем фрактографического анализа поверхностей излома образцов после разрушения. Изображения поверхностей излома образцов получали с помощью растрового электронного микроскопа Tesla BS-300.
3. Результаты эксперимента
3.1. Усталостное разрушение образцов стали 20X13 без покрытия
Измерения параметров усталостной трещины при испытаниях образцов без покрытий позволили определить макрохарактеристики ее роста, которые представлены на рис. 2. Видно, что кинетика роста усталостной трещины, а также кинетика ее раскрытия весьма схожи.
Рис. 2. Кинетика роста (а) и раскрытия (б) усталостной трещины в образцах стали 20Х13 без покрытия
Три характерных участка кривых 1-3 (выделяемые по углу наклона представленных зависимостей) соответствуют трем основным стадиям роста усталостной трещины, известным из литературы как стадии зарождения, стабильного и ускоренного роста усталостной трещины [1]. Рассмотрим механизмы усталостного разрушения на каждом из этих участков кривых в отдельности.
Стадия 1. При нагружении исследуемых образцов первые различаемые в оптическом микроскопе трещины возникают при числе циклов нагружения ~ 0.44Np (рис. 3, а). Острая форма трещин (без затупления вершины) и отсутствие фиксируемых смещений участков поверхности в области вершины трещины свидетельствуют об очень незначительных величинах пластической деформации при распространении трещины. До момента возникновения трещин признаки пластической деформации также не фиксируются.
Фрактограммы, полученные в соответствующей области поверхности излома, выявляют слабо развитый ручьистый рельеф (рис. 3, б), формирование которого характерно для разрушения сколом после накопления
дефектов в плоскостях скольжения кристаллитов [1]. Это свидетельствует о том, что на данной стадии в отдельных кристаллитах реализуется механизм разрушения, имеющий квазиупругий характер.
Масштаб локализации процессов усталостного разрушения указывает на то, что стадию зарождения усталостной трещины определяют микроскопические механизмы пластической деформации и нарушения сплошности (разрушения).
Стадия 2. После количества циклов нагружения ~ 0.45 ^ 0.47Np характер распространения трещины существенно меняется. В области вершины трещины возникает отчетливый деформационный рельеф (рис. 4, а), сформированный линиями скольжения в отдельных кристаллитах. Трещина начинает активно ветвиться, а ее вершина заметно затупляется. Пластическая зона перед вершиной трещины, определяемая путем металлографических наблюдений, постепенно увеличивается.
Фрактограммы, полученные в соответствующей области поверхности излома, обнаруживают преимущест-
100 мкм I------------1
Рис. 4. Оптическое изображение трещины на стадии 2 (а) и фрактограмма соответствующей области поверхности излома (б). Сталь 20Х13. N = 0.47Np
венно псевдобороздчатый и бороздчатый рельеф (рис. 4, б). Доля хрупкого разрушения в данной зоне незначительна. Подобные признаки свидетельствуют об упругопластическом механизме разрушения с формированием бороздчатых и псевдобороздчатых образований, что характерно для разрушения вязким сколом [1].
С использованием метода построения векторов смещений было выявлено, что на данной стадии роста усталостной трещины величина смещений участков поверхности материала при одинаковом приращении циклической нагрузки возрастает (рис. 5). Это выражается и в увеличении интенсивности пластической деформации в области вершины трещины, что выявляется на рассчитанных распределениях компоненты главного пластического сдвига (рис. 6).
Описанный характер усталостного разрушения позволяет считать, что стадия стабильного роста усталостной трещины связана с мезоскопическими механизмами пластической деформации и разрушения.
Стадия 3. При достижении количества циклов нагружения ~ 0.95Np зона пластической деформации охватывает практически все остаточное сечение образца в области между вершинами трещин, развивающихся с противоположных граней образца. Измерение смещений и количественная оценка пластической деформации применяемыми в эксперименте средствами затруднены ввиду высокой интенсивности пластической деформации. Однако по характеру деформационного рельефа видно, что зона локализации пластической деформации — это дугообразные области между вершинами
Рис. 5. Картины распределения векторов смещений на стадии 2, построенные при одинаковом приращении циклической нагрузки. Сталь 20Х13. N = 0.45Жр (а); 0.50Жр (б); 0.55Жр (в); 0.60Жр (г); 0.65Жр (д)
Рис. 6. 3D-распределения компоненты главного пластического сдвига, рассчитанные на основе полей векторов смещений, приведенных на рис. 5. Сталь 20Х13. N = 0.45^ (а); 0.50^ (б); 0.55^ (в); 0.60^ (г); 0.65^ (д)
трещин (рис. 7, а). Фактически это означает, что образец теряет сдвиговую устойчивость по всему объему [23] в сечении максимального изгиба, и при этом его фрагменты совершают относительные повороты вдоль дугообразных областей. Более подробное описание этих явлений приведено в работе [21]. В интервале циклов нагружения от ~ 0.95^ до момента долома образца происходит ускоренный рост трещин навстречу друг другу, при котором размер области, вовлекаемой в пластическую деформацию, постепенно уменьшается.
Фрактографические картины соответствующей области поверхности излома показывают наличие грубых псевдобороздок и бороздок с элементами ямочного рельефа (рис. 7, б). Область долома характеризуется преимущественно ямочным рельефом (рис. 7, в). Данные фрактографические признаки свидетельствуют об упругопластическом механизме разрушения вязким отрывом на данной стадии усталостного разрушения.
По совокупности перечисленных признаков стадия ускоренного роста усталостной трещины определяется
макроскопическими механизмами пластической деформации и разрушения.
Анализ литературных данных и, прежде всего, работ [4, 24], а также полученные экспериментальные результаты позволили схематически представить процессы пластической деформации и нарушения сплошности при усталостном разрушении образцов без покрытия с учетом их стадийности и масштабных уровней (рис. 8).
3.2. Усталостное разрушение образцов стали 20X13 с функциональными покрытиями
Покрытия, наплавленные с использованием порошковых составов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01, различаются по химическому и фазовому составу и потому отличаются друг от друга по механическим свойствам [18]. На рис. 9 представлены графики значений микротвердости, измеренных на образцах композиций перпендикулярно границе раздела «покрытие - подложка». Из представленных зависимостей видно, что покрытие типа ПГ-
Рис. 7. Оптическое изображение трещины на стадии 3 (а) и ф Сталь 20Х13. N = 0.95^ (а, б); 0.99^ (в)
10Н-01 имеет более высокую микротвердость, больший разброс значений и больший градиент ее изменения в области границы раздела «покрытие - подложка» по сравнению с покрытием типа ПГ-12Н-01. Эти различия обусловили и существенные отличия кинетики и механизмов усталостного разрушения композиций.
граммы соответствующей области поверхности излома (б, в).
3.2.1. Композиция с покрытием на основе ПГ-10Н-01 Кривые роста и раскрытия усталостной трещины в данной композиции показаны на графиках, представленных на рис. 10. На приведенных кривых, подобно результатам, описанным в п. 3.1, по углу наклона представленных зависимостей можно выделить три харак-
Рис. 8. Схематическое представление процессов пластической деформации и нарушения сплошности при усталостном разрушении образцов без покрытия с учетом стадийности и масштабных уровней их развития
Рис. 9. Графики значений микротвердости, измеренных на образцах композиций перпендикулярно границе раздела «покрытие - подложка»
терных участка 1-3. Данный факт свидетельствует о том, что разрушение композиции происходит в несколько стадий, часть из которых связана с разрушением покрытия, а часть — с разрушением подложки. Рассмотрим механизмы пластической деформации и нарушения сплошности на характерных стадиях усталостного разрушения таких композиций.
Стадия 1. Данный участок на кривых роста и раскрытия усталостной трещины связан с зарождением трещины на границе раздела и последующим разрушением покрытия. В интервале циклического нагружения ~ 0.2 ^ 0.4Np обнаруживаются признаки развития пластической деформации в области, прилегающей к границе раздела «покрытие - основа». С использованием методики измерения векторов смещений в приграничных слоях покрытия и подложки были выявлены смещения участков поверхности материала размером порядка 2-3 мкм и более (рис. 11, а). При этом наиболее интенсивно деформация протекает в прилегающем к границе раздела слое материала толщиной ~ 50 мкм, о чем свиде-
тельствуют приведенные на рис. 11, б, в распределения главного пластического сдвига.
По мере дальнейшего циклического нагружения при ~ 0.45 ^ 0.5Np в приграничных с подложкой кристаллитах покрытия появляются следы скольжения, а затем при количестве циклов нагружения ~ 0.5 ^ 0.55Np возникают адгезионные и когезионные трещины (рис. 12).
Полученные экспериментальные результаты с высокой степенью достоверности позволяют считать, что именно трещины, возникшие на границе раздела «покрытие - подложка», инициируют в дальнейшем разрушение покрытия. При ~ 0.55Np происходит быстрое растрескивание покрытия по всей толщине. При этом трещина распространяется как через фазовые составляющие покрытия, так и вдоль межфазных границ (рис. 13, а), обнаруживая очень незначительные признаки пластической деформации.
Фрактограммы поверхности излома свидетельствуют о механизме разрушения квазисколом, так как поверхность излома сформирована преимущественно фасетками скола с гребнями отрыва (рис. 13, б). Наблюдаются также элементы плавной криволинейной формы, что, по всей видимости, является следствием хрупкого межфазного отрыва. В целом, разрушение на данной стадии усталостного разрушения покрытия носит квази-упругий характер.
Стадии 2-3. Сразу после растрескивания покрытия, происходившего при числе циклов нагружения ~ 0.55Np, трещина начинает распространяться в подложку. Рост усталостной трещины в подложке композиции с растрескавшимся покрытием мало отличается от роста трещины в образце без покрытия и практически повторяет вторую и третью стадии усталостного разрушения образцов без покрытия: кинетика роста и раскрытия трещины, характер пластической деформации при распространении трещины и фрактографические признаки разрушения по большей части идентичны.
N/Np
0.005 ■ і _ і і і в
0.004 і : і - і і /Граница раздела і
счі ' 0.003 . і і і і і
: ! •• • !
0.002 ■ ! 1 - і ■ і і
0.001 - і 1 Покрытие | |* Подложка
■ і 1 •
0 і і і і . і .
-100 -50 0 50 100
Расстояние от границы раздела, мкм
Рис. 11. Картина векторов смещений (а), распределение главного пластического сдвига (б), среднее арифметическое главного пластического сдвига по столбцам (в) на стадии 1. Сталь 20X13 с покрытием на основе ПГ-10Н-01. N = 0.3^
Так, в интервале циклов нагружения ~ 0.55 ^ 0.94Np имеет место стабильный рост трещины в подложке, а в интервале ~ 0.94 ^ Шр — ускоренный рост.
3.2.2. Композиция с покрытием на основе ПГ-12Н-01
Кривые роста и раскрытия усталостной трещины в композиции с покрытием на основе порошка ПГ-12Н-01 показаны на рис. 14. Из представленных зависимостей видно, что кинетика усталостного разрушения данной композиции более сложна. На кривых можно выделить, по меньшей мере, пять характерных участков (стадий), первые три из которых связаны с разрушением покрытия и два — с разрушением подложки. Рассмотрим механизмы пластической деформации и образования несплошности на всех стадиях усталостного разрушения.
Стадия 1. При числе циклов нагружения ~ 0.39Np в приповерхностном слое покрытия возникают трещины острой формы без признаков пластической деформации в области их вершин (рис. 15, а). Фрактограммы, полученные в соответствующей области поверхности излома, обнаруживают участки с ручьистым рельефом (рис. 15, б). Совокупность перечисленных признаков свидетельствует о квазихрупком механизме разрушения сколом.
Стадия 2. При количестве циклов нагружения ~ 0.42 ^ 0.55^ в области вершины трещины появляются отчетливо выраженные линии кристаллографического скольжения. Рост трещины происходит вдоль линий скольжения короткими отрезками с квазиперио-дическим изменением направления от одной системы скольжения к другой и обратно. При этом траектория трещины приобретает зигзагообразную форму с приблизительно равным интервалом повторения зигзагов (рис. 16, а). Фрактограммы соответствующей области поверхности излома отображают усталостные бороздки треугольной конфигурации, образованные в результате хрупкого разрушения вдоль плоскостей кристаллографического сдвига (рис. 16, б).
При достижении числа циклов нагружения ~ 0.55 ^ 0.66Np вершина трещины утрачивает остроконечную форму: при росте трещины происходит затупление ее вершины за счет формирования зоны пластической деформации (рис. 17, а). Фрактографический анализ соответствующей области поверхности излома обнаруживает бороздчатый рельеф с плавным криволинейным профилем (рис. 17, б). Признаки усталостного разрушения покрытия в интервале циклического нагружения ~ 0.42 ^ 0.66Np свидетельствуют об упругопластическом характере разрушения, реализуемом,
Рис. 12. Оптическое изображение, иллюстрирующее возникновение адгезионных и когезионных трещин в композиции на стадии 1. Сталь 20Х13 с покрытием на основе ПГ-10Н-01. N = 0.45^
Рис. 13. Оптическое изображение трещины на стадии 1 (а) и фракто-грамма соответствующей области поверхности излома (б). Сталь 20Х13 с покрытием на основе ПГ-10Н-01. N = 0.55^
судя по всему, по механизму вязкого скола. При этом постепенное возрастание интенсивности пластической деформации в области вершины трещины приводит к изменению профиля усталостных бороздок от треугольного к криволинейному.
Стадия 3. При количестве циклов изгиба ~ 0.66Np трещина в покрытии достигает границы раздела композиции. Важно отметить, что после достижения границы раздела в течение ~ 0.08Np циклов нагружения распространения трещины в подложку не происходит. При этом в области вершины наблюдается постепенное адгезионное отслаивание покрытия от подложки (рис. 18). В этом же интервале циклического нагружения, по всей видимости, происходит зарождение трещины в подложке.
Стадии 4-5. Величине ~ 0.74Np соответствует начало проникновения усталостной трещины в подложку. Как и в случае первой композиции, кинетика роста и раскрытия трещины, характер пластической деформации и фрактографические признаки разрушения анало-
гичны таковым на второй и третьей стадиях усталостного разрушения образцов без покрытия. При числе циклов нагружения ~ 0.55 ^ 0.94Np имеет место стабильный рост трещины в подложке, а при ~ 0.94 ^ Шр — ускоренный рост трещины.
Схематическое представление описанных механизмов усталостного разрушения обеих композиций представлено на рис. 19.
4. Обсуждение результатов
В развитии представлений об усталостном разрушении металлических материалов можно выделить два подхода. С одной стороны, усталостное разрушение традиционно рассматривается как совокупность процессов пластической деформации в окрестности вершины трещины и процессов нарушения сплошности (разрушения) непосредственно в самой вершине [1-3]. Процессы пластической деформации первичны, и они определяют динамику усталостного разрушения: темп накопления необратимых повреждений, скорость роста усталостной трещины и т.п. Процессы нарушения сплошности также
N/Np
М/Мр
Рис. 15. Оптическое изображение трещины на стадии 1 (а) и фрактограмма соответствующей области поверхности излома (б). Сталь 20Х13 с покрытием на основе ПГ-12Н-01. N = 0.39 Np
оказывают определяющее влияние на процессы пластической деформации, так как усталостная трещина, ее длина и форма определяют уровень напряжений в области вершины трещины и, следовательно, интенсивность и локализацию пластической деформации. Данное рассмотрение реализуется в рамках линейной механики разрушения.
С другой стороны, усталостное разрушение как поведение твердого тела в условиях переменного нагружения с точки зрения представлений об иерархии структурных уровней пластической деформации и разрушения рассматривается как многостадийный процесс [1, 7, 25], связанный с характерными носителями и масштабными уровнями их развития [4-7]. При усталостном разрушении закономерно наблюдается последовательное развитие пластической деформации и нарушения сплошности с постепенным повышением масштабов данных процессов от микро- до макроскопических.
В рамках методологии физической мезомеханики материалов механическое поведение циклически нагру-
женного твердого тела может быть описано с учетом особенностей его внутренней структуры, а также возникновения и релаксации концентраторов напряжений различных масштабных уровней. Это позволяет объединить оба рассмотренных подхода к изучению усталости. Учитывая, что процессы пластической деформации и разрушения протекают поочередно [3, 25], а также экспериментальный результат, представленный на рис. 8, иерархию масштабных уровней и стадийность процессов, развивающихся при усталостном разрушении материалов без покрытия, можно представить в виде схемы (рис. 20). По мнению авторов, данная схема не противоречит схеме, предложенной в работе [4], и дополняет ее обратной связью между процессами разрушения и пластической деформации.
Описанная стадийность процессов усталостного разрушения и механизмы этих процессов определяют кинетику усталостного разрушения материалов, возможность изменения которой представляет большой практический интерес. Последний тезис вытекает из ре-
Рис. 17. Оптическое изображение трещины на стадии 2 (а) и фрактограмма соответствующей области поверхности излома (б). Сталь 20Х13 с покрытием на основе ПГ-12Н-01. N = 0.6^
зультатов исследований композиций с наплавленными покрытиями. Нанесение покрытий приводило к изменению не только длительности стадий усталостного разрушения, но и их количества. Рассмотрим причины различия кинетики усталостного разрушения образцов стали 20Х13 и ее композиций с покрытиями, наплавленными с использованием порошковых составов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01. При этом особо следует отметить, что зарождение и возникновение усталостной трещины в образцах с покрытиями происходит либо на границе раздела «покрытие - подложка» (композиция с покрытием ПГ-10Н-01), либо в поверхностных кристаллитах покрытия (композиция с покрытием ПГ-12Н-01).
Среди характерных черт усталостного разрушения композиций с покрытием ПГ-10Н-01 можно отметить следующие. Во-первых, высокий градиент механических свойств в области границы раздела «покрытие -подложка» при нагружении обусловливает возникновение в этой области зон концентрации напряжений. Это вызывает накопление усталостных повреждений в приграничных слоях покрытия и подложки и приводит к зарождению трещины в данной области. Следует заметить, что подобные процессы в области границы раздела композиции конструкционной стали с покрытием данного типа были исследованы в условиях квазистати-ческого нагружения и трения в работах [23, 24]. При этом наблюдали распространение трещины в покрытии от границы раздела к поверхности покрытия [23]. Во-вторых, в определенный момент сформировавшаяся
трещина быстро распространяется через всю толщину покрытия. При этом на поверхности излома преобладают элементы хрупкого разрушения, что свидетельствует о квазиупругих низкоэнергетических механизмах разрушения. В-третьих, при квазихрупком растрескивании покрытия возникает трещина с острой вершиной, которая представляет собой мощный концентратор напряжений в подложке. Это приводит к быстрому проникновению трещины в подложку.
Разрушение покрытия типа ПГ-12Н-01 происходит другим образом. Во-первых, незначительный градиент механических свойств в области границы раздела «покрытие - подложка» при нагружении не вызывает существенной концентрации напряжений. Соответственно это не приводит к накоплению циклических повреждений и не вызывает зарождения трещин в прилегающих к границе раздела областях материала подложки и покрытия. Во-вторых, эволюция во времени трещины в покрытии происходит замедленно, в несколько стадий. Рельеф поверхности излома свидетельствует о последовательном переходе от преимущественно квазиупругого характера разрушения к упругопластическому, более высокоэнергетическому [1-3]. В третьих, при развитии трещины в покрытии за счет интенсивной пластической деформации происходит притупление вершины трещины. Такая трещина проникает в подложку не сразу. Напротив, после достижения трещиной границы раздела имеет место задержка в росте трещины, связанная с адгезионным отслаиванием покрытия.
Рис. 19. Схематическое представление процессов зарождения и роста усталостной трещины в композициях с покрытием на основе ПГ-10Н-01 (а) и ПГ-12Н-01 (б)
На основании полученных результатов можно сформулировать определенные практические рекомендации для отработки технологии наплавки покрытий на изделия, эксплуатируемые в условиях переменных нагрузок. Покрытие ПГ-10Н-01, обладая большей микротвердостью, по всей видимости, имеет большую прочность и износостойкость. Однако резкий градиент механических свойств в области границы раздела «покрытие -подложка» обусловливает концентрацию напряжений и зарождение трещин именно на ней, а также определяет склонность к хрупкому низкоэнергетическому разрушению, что резко снижает усталостные характеристики композиции. Напротив, в композиции с менее твердым покрытием ПГ-12Н-01 малый градиент механических свойств покрытия и подложки не приводит к зарождению трещин на границе раздела, что обусловливает упругопластический, высокоэнергетический характер разрушения. Таким образом, в условиях переменного нагружения соотношение между прочностью/пластичностью и износостойкостью покрытия должно быть результатом компромисса между удовлетворительной усталостной выносливостью композиции и обеспечением ее поверхностью требуемых функциональных свойств.
5. Заключение
1. Стадийность усталостного разрушения в значительной степени определяется масштабом локализации взаимосвязанных процессов пластической деформации и разрушения. Предложенная в работе обобщенная схема последовательности процессов при усталостном разрушении на различных масштабных уровнях дополняет схему, предложенную в работе [4], обратной связью между процессами пластической деформации и нарушения сплошности.
2. Покрытие в значительной степени определяет кинетику и механизмы усталостного разрушения композиции, что в зависимости от соотношения механических характеристик покрытия и основы может проявляться как в изменении длительности стадий роста усталостной трещины, так и их количества.
3. При циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играют воз-
никновение зон концентрации напряжений и локализация процессов пластической деформации на границе раздела «покрытие - основа», где и происходит зарождение усталостной трещины, сопровождающееся быстрым проникновением трещины в подложку.
4. При нагружении композиции с менее твердым покрытием преобладают упругопластические механизмы разрушения, что приводит к зарождению усталостной трещины на поверхности покрытия, ее замедленному трехстадийному росту в покрытии, а также задержке распространения трещины на границе раздела «покрытие - подложка».
5. При разработке и совершенствовании режимов наплавки покрытий на изделия, предназначенные для эксплуатации в условиях переменного нагружения, более предпочтительны композиции с меньшим градиентом механических свойств и меньшей склонностью к хрупкому разрушению при сохранении удовлетворительной твердости рабочей поверхности покрытия.
Благодарности
Авторы выражают благодарность старшему научному сотруднику ИФПМ СО РАН Ю.И. Почивалову за по-
Рис. 20. Схематическое представление процессов пластической деформации и нарушения сплошности на различных масштабных уровнях при усталостном разрушениио
мощь в проведении фрактографических исследований. Работа выполнялась в рамках молодежного проекта РАН № 98 «Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики» и интеграционного проекта СО РАН № 45 «Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на их основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники».
Литература
1. Иванова B.C., Шанявский А.А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. - Челябинск: Металлургия, 1988. -400 с.
2. Коцанъда C. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
3. Иванова B.C., Терентъев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 456 с.
4. Шанявский А.А. Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезоскопическом масштабном уровне. I. Процессы пластической деформации в вершине трещины. II. Механизмы разрушения // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 73-95.
5. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. Структурные уровни деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.
6. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
7. Панин В.Е., Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов смещений и диагностика усталостного разрушения алюминиевого сплава на мезоуровне //Дефектоскопия. -1998. - № 2. - С. 80-87.
8. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
9. 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 мезо-механика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.
10. Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М. и др. Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий // Сб. статей по интеграционным программам фундаментальных исследований СО РАН. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - С. 343-356.
11. 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.
12. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А., Овечкин Б.Б., Молчанова И.Ю. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно-упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 6. - С. 63-69.
13. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Столбов А.А., Синдеев В.И. Конструктивная прочность композиции «основной металл - покрытие». - Новосибирск: Наука, 1996. - 296 с.
14. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. - Киев: Наукова думка, 1983. - 264 с.
15. Калмуцкий В.С. Критерии усталостного разрушения деталей с покрытиями // Проблемы прочности. - 1983. - № 12. - С. 7-10.
16. Карпенко Г.В., Похмурский В.И., Далисов В.Б. и др. Влияние диффузионных покрытий на прочность стальных изделий. - Киев: Наукова думка, 1971. - 167 с.
17. Уманский Э.С., Афонин Н.И., Борисов Ю.С. и др. Влияние плазменного покрытия на выносливость сталей 40 и 1Х18Н10Т // Проблемы прочности. - 1977. - № 10. - С. 112-113.
18. Панин В.Е., Белюк С.И., ДураковВ.Г., ПрибытковГ.А., Ремпе Н.Г Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -№ 2 (783). - С. 34-38.
19. 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.
20. Панин С.В., Панин В.Е., Байбулатов Ш.А., Беляев С.А., Дураков В.Г Изучение пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях при трении и изнашивании композиции «сталь 20Х13 - упрочняющее композиционное покрытие» // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 4. - С. 59-72.
21. Быдзан А.Ю., Панин С.В., Почивалов Ю.И. Механизм формирования мезоскопической деформационной структуры в образцах поликристаллических материалов при знакопеременном плоском изгибе // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 43-52.
22. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Эволюция мезоструктуры и кинетика накопления усталостных повреждений в сварных соединениях конструкционной стали в условиях, близких к плоскому напряженному состоянию // Физ. мезомех. -2001. - Т. 4. - № 6. - С. 105-117.
23. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
24. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов. Физика. - 1995. - № 11. - С. 6-25.
25. Иванова В.С., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. - 363 с.
