CC BY
44
Исследование особенностей разрушения стальных пластин с керамическим покрытием при динамическом испытании на трехточечный изгиб
К. Чен, У. Key, М. Конг, Д. Хуанг
Инженерный центр, Шеньянекий технологичеекий инетитут, Шеньян, 110015, Китай
Метод подвижных клеточных автоматов был иепользован для иееледования процеееа разрушения етальных плаетин, покрытых циркониевой керамикой Z1O2, при иепытании на трехточечный изгиб. Раеематривалея динамичеекий режим нагружения. Изучено влияние прочноетных характериетик покрытия и рельефа зоны контакта покрытия е матрицей на оеобенноети разрушения образца. Результаты раечетов показывают, что варьированием как механичееких евойетв покрытия, так и рельефа зоны контакта покрытия е подложкой можно добитьея повышения деформационной епоеобноети плаетин, а также их епоеобноети поглощать энергию нагружения при еохранении уровня прочноетных характериетик.
1. Введение
Различные технологии нанесения покрытий, повышающих износостойкость трущихся частей и деталей механизмов и машин, широко применяются при производстве двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, ходовых узлов автомобилей и т.д. В частности, керамическое покрытие наносится на концевые части лопастей турбин, работающих в крайне жестких условиях эксплуатации и подвергаемых многочисленным мелким ударам о внутреннюю стенку корпуса. К такого рода покрытиям предъявляются особые требования по прочности и износостойкости при многократных динамических воздействиях. Необходимо отметить также, что на прочность покрытия большое влияние оказывает профиль интерфейсного слоя «покрытие - подложка» [1-3]. Поэтому изучение прочностных характеристик и особенностей разрушения материалов с покрытием является важной научной задачей, имеющей прямое отношение к инженерным разработкам [4, 5].
Как правило, для подобных исследований используется набор стандартных испытаний (индентирование, тест на трехточечный изгиб, царапанье и т.д.), для проведения которых требуется сложное и дорогостоящее оборудование. Поэтому перспективным является использо-
вание методов компьютерного моделирования реального теста, позволяющее не только сделать заключение о характеристиках покрытия, но и детально исследовать процессы, протекающие в материале (в том числе и на границе «покрытие - материал»). Использование для этих целей методов механики сплошной среды встречает известные трудности, связанные с необходимостью учета возникновения многочисленных микро- и мезо-повреждений и трещин (особенно при динамических и ударных нагрузках). Указанные сложности могут быть преодолены использованием методов дискретной механики. Новым и одним из наиболее перспективных дискретных методов является метод подвижных клеточных автоматов [6-9]. Поэтому в настоящей работе он был применен для изучения влияния профиля зоны контакта покрытия с подложкой при динамическом испытании на трехточечный изгиб.
2. Описание объекта и условий моделирования
В рамках метода подвижных клеточных автоматов моделируемая среда рассматривается как совокупность локально взаимодействующих подвижных объектов. При этом физико-химический и механический виды взаимодействия оказывают взаимное влияние. В рамках
в Чен К., Кеу У, Конг М., Хуанг Д., 2002
Рис. 1. Структура моделируемой системы: образец с покрытием из низкопористой керамики 2Ю2_1 (а); образец с комбинированным покрытием (поверхностный слой 2г02_2 и внутренний слой
гЮ2_1) (б)
данного метода моделируемый материал представляется как ансамбль элементов, взаимодействующих между собой по определенным правилам.
Элементами могут быть отдельные зерна поликристалла, их конгломераты, фрагменты и т. д. Размеры элементов определяются условиями конкретной задачи. Благодаря подвижности отдельных элементов такой подход позволяет моделировать различные процессы, имеющие место в реальном материале, в частности эффекты проникания, массоперенос, эффекты фрагментации, образование трещин и пор, процесс разрушения.
Используя граничные условия различного типа (жесткие, упругие, вязкоупругие), можно имитировать различные свойства «контейнера», содержащего моделируемую систему. Путем задания дополнительных условий на границах можно имитировать различные режимы механического нагружения (сжатие, растяжение, сдвиговая деформация). Моделируемая система характеризуется следующими величинами: радиус-векторы элементов ^1}, поступательные скорости элементов {V1}, углы поворота элементов (01}, угловые скорости элементов (ш1}. Помимо этого каждый элемент характеризуется размерным параметром dl, массой т1, а также тензором момента инерции З1. Взаимодействующие пары элементов делятся на два типа: связанные — наличие химических связей (элементы одной частицы);
Таблица 1
Параметры материалов
Материал Плотность, кг/м3 Модуль Юнга, ГПа Прочность, МПа
Сталь 7800 210 920
гю2_1 5700 172 1700
гю2_2 2100 70 410
Рис. 2. Структура моделируемой системы: образец с «пилообразным» профилем контакта «покрытие - подложка» (а); образец со «ступенчатым» профилем контакта «покрытие - подложка» (б)
независимые — отсутствие каких-либо химических связей (элементы разных частиц).
Формирование исходной структуры заключается в задании для каждой пары соседних элементов определенных типов связи. Детально метод подвижных клеточных автоматов, а также особенности задания функции отклика, которая определяет «межавтоматные взаимодействия», описаны в работах [6-9].
В настоящей работе в качестве тестового образца была выбрана стальная пластина размером 1x5 см2 с покрытием из пористой керамики 2г02 (рис. 1). Можно видеть, что конструкция состоит из трех основных частей: стальная пластина с покрытием, неподвижные опоры и индентор.
В работе исследовалось влияние следующих факторов:
1) механические свойства покрытия, определяемые его внутренней структурой,
2) форма (профиль) зоны контакта «покрытие - подложка».
В первом случае рассматривались образцы с покрытием из керамики с низкой пористостью (2г02 _1 на рис. 1, а) и двухслойным покрытием, состоящим из поверхностного слоя высокопористой керамики (2г02_2 на рис. 1, б) и внутреннего слоя низкопористой керамики. Параметры материалов приведены в таблице 1.
Следует отметить, что под изменением пористости в данной постановке задачи понимается изменение
Таблица 2
Адгезионная прочность на границе раздела материалов
Контакт Прочность, МПа
ZrO2 _1 - ZrO2 _2 410
ZrO2 1 - сталь 920
ZrO2 _2 - сталь 410
Рис. 3. Основные этапы разрушения стальных
прочностных характеристик материала. При этом не затрагивается такой важный вопрос, как влияние размеров и распределения пор. Полагается, что поры распределены однородно и их средний размер много меньше характерного размера неоднородностей.
Во втором случае были рассмотрены три различных профиля переходной области (плоский, пилообразный и ступенчатый) для «высокопрочного» покрытия из 2г02_1. Количество автоматов, обладающих свойствами материала покрытия, во всех трех случаях было одинаковым, поэтому возможные различия в поведении пластин определялись лишь рельефом зоны контакта покрытия с подложкой. Структуры тестируемых образцов представлены на рисунках 1, а и 2.
Во всех расчетах в качестве величины адгезионной прочности на границе раздела материалов принималось минимальное из значений прочности контактирующих материалов (таблица 2).
В работе использовался режим вдавливания инден-тора с постоянной скоростью. Был выбран динамический режим деформирования как более соответствующий реальным условиям работы покрытия (в случае трущихся или подвергаемых значительным динамическим воздействиям элементов), нежели квазистатическое нагружение, обычно используемое в подобных тестах.
3. Анализ результатов моделирования
На рисунке 3 представлены результаты моделирования теста на трехточечный изгиб для стальных пластин с керамическими покрытиями различной внутренней структуры. Необходимо отметить, что образец, покры-
с однослойным (а) и двухслойным (б) покрытием
тый низкопористой керамикой, разрушился приблизительно вдвое раньше образца с двухслойным покрытием. Значительно отличаются также и механизмы разрушения. Если в первом случае трещина, возникнув на верхней поверхности пластины, постепенно прошла через весь образец (рис. 3, а), то в расчете с двухслойным покрытием имело место расслоение покрытия по границе раздела керамических слоев и одновременно интенсивное разрушение верхнего слоя с выкрашиванием фрагментов материала непосредственно в области вдавливания (рис. 3, б). Только после полного «раздробления» второго слоя покрытия в области индентирования на поверхности контакта с подложкой инициировалась разрушающая трещина.
1 3 5 с1у, мм
Рис. 4. Диаграммы нагружения пластин «сила реакции пластины ¥у — смещение индентора d у». Сплошная линия соответствует пластине с однослойным покрытием, пунктирная — пластине с двухслойным покрытием
Рис. 5. Основные этапы разрушения стальных пластин с различным рельефом поверхности контакта «покрытие - подложка»: пилообразный (а); ступенчатый (б) профиль
Причиной различий процесса разрушения, очевидно, является различная способность материалов покрытия диссипировать (поглощать) энергию нагружения. На рисунке 4 представлены диаграммы нагружения пластин. Можно видеть, что энергия разрушения образца с двухслойным покрытием на 40 % выше, чем в случае однослойного низкопористого покрытия. При этом первые повреждения на его поверхности появились намного раньше, чем в образце с однослойным покрытием. Причиной столь значительных различий в отклике образцов является тот факт, что при выкрашивании низкопрочного материала поверхностного слоя двухслойного покрытия происходит «размывание» области максимальной концентрации напряжений и, как следствие, более эффективное поглощение энергии нагружения. Вследствие расширения области действия максимальных напряжений нижний «высокопрочный» слой покрытия разрушился не путем прохождения макротрещины, как в предыдущем случае, а дроблением материала. Это позволило замедлить рост напряжений в подложке и тем самым практически вдвое увеличило деформационную способность образца.
На рисунке 5 представлены результаты индентиро-вания образцов с различным рельефом интерфейса «покрытие - подложка» (результаты индентирования пластины с плоским рельефом интерфейса «покрытие - подложка» приведены на рис. 3, а). Напомним, что в данной серии расчетов в качестве покрытия использовалась низкопористая керамика.
Диаграммы нагружения испытываемых пластин приведены на рис. 6. Необходимо отметить, что хотя величина прочности образцов во всех трех случаях явля-
ется приблизительно одинаковой и первые повреждения возникают при одной и той же величине смещения ин-дентора, способность образцов сопротивляться развитию разрушающих макротрещин различна. Так, величина деформации до полного разрушения (потери несущей способности) образца со ступенчатым покрытием, а следовательно и энергия разрушения, приблизительно на 20 % выше, чем в случае плоской и пилообразной границ раздела. Как видно из рис. 5, это вызвано интенсивным выкрашиванием ступенчатого покрытия в области вдавливания, поглощающим некоторую часть «закачиваемой» в образец энергии и уменьшающим степень концентрации энергии на поверхности контакта с
1 2 3 с1у, мм
Рис. 6. Диаграммы нагружения стальных пластин с различным профилем зоны контакта «покрытие - подложка». Сплошная линия соответствует отклику пластины с плоским профилем переходной области, штриховая — «пилообразному» профилю, пунктирная — «ступенчатому» профилю
подложкой. Отметим также, что величина деформации до разрушения у образца с пилообразным интерфейсом «покрытие - подложка» оказалась минимальной. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что острые края зоны контакта являются концентраторами напряжений и провоцируют быстрое распространение возникающих на поверхности пластины трещин вглубь материала.
4. Заключение
В настоящей работе с использованием метода подвижных клеточных автоматов было проведено изучение влияния свойств керамического покрытия на прочностные и деформационные характеристики покрытых стальных пластин, а также на способность композиционного материала поглощать энергию, привносимую в материал в процессе динамического нагружения. Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:
1. Ослабление упругих и прочностных характеристик покрытия (например введением прослоек материала с большей пористостью) хотя и приводит к некоторому снижению прочности пластины, но при этом значительно (до двух раз) повышает поглощающую способность образца и величину деформации до разрушения.
2. Изменение рельефа зоны контакта покрытия с подложкой позволяет варьировать поглощающую способность и деформируемость пластины без потери прочности.
Таким образом, путем подбора внутренней структуры покрытия и способа его нанесения на подложку для получения нужного профиля интерфейсной зоны можно добиться оптимального соответствия характеристик деталей или элементов конструкций и механизмов конкретным инженерным требованиям по прочнос-
ти, износостойкости и способности к поглощению механической или упругой энергии.
Следует отметить, что в настоящей работе за кадром осталось влияние силы сцепления покрытия с подложкой и различных слоев покрытия между собой. Исследование этой проблемы может стать предметом дальнейшей работы.
Литература
1. HogmarkS., Jacobson S., Larsson M. Design and evaluation of tribolo-
gical coatings // Wear. - 2000. - V. 246. - P. 20-33.
2. Панин C.B., Смолин И.Ю., Балохонов P.P. и др. Мезомеханика гра-
ниц раздела в материалах с поверхностным упрочнением и покрытиями // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 42. - № 3. - С. 4-24.
3. ВладимировА.Б., ТрахтенбергИ.Ш., КоршуновЛ.Г., МакаровA.B., Рубштейн А.П. Трибологические свойства алмазоподобного покрытия (АПП) с металлической составляющей на инструментальной стали // ФММ. - 1998. - Т. 85. - Вып. 5. - С. 84-90.
4. Panin S.V. Plastic deformation and fracture caused by coating-substrate
mismatch at mesoscale // Theoretical and Applied Fracture Mechanics.- 2001. - V. 35. - P. 1-8.
5. Leopold J., MeiselM. Numerical analysis of coating-substrate systems // Computational Materials Science. - 2000. - V. 19.- Nos. 1^. -P. 205-212.
6. Псахье С.Г., Хори Я., Коростелев С.Ю., Смолин И.Ю., Дмитриев А.И., Шилько Е.В., Алексеев С.В. Метод подвижных клеточных автоматов как инструмент для моделирования в рамках физической мезомеханики // Изв. вузов. Физика. - 1995. - Вып. 38. -№ 11.- С. 58-69.
7. Псахье С.Г., Остермайер Г.П., Дмитриев А.И., Шилько Е.В., Смолин А.Ю., Коростелев С.Ю. Метод подвижных клеточных автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I. Теоретическое описание // Физ. мезомех. - 2000. - Т.3.-№ 2. - С. 5-13.
8. Psakhie S.G., Moiseyenko D.D., Smolin A.Yu. et al. The features of fracture of heterogeneous materials and frame structures. Potentialities of MCA design // Computational Materials Science. - 1999. - V. 16.-
P. 333-343.
9. Psakhie S.G., Horie Y, Ostermeyer G.P., Korostelev S.Yu. et al. Movable
cellular automata method for simulating materials with mesostructure // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2001. - V. 37. -Nos. 1-3. - P. 311-334.
