CC BY
48
Исследование особенностей развития деформации на мезоуровне и разрушения композиций с напыленными покрытиями при трехточечном изгибе
C.B. Панин, М.А. Белоцерковский1, М.П. Сейфуллина2, Ю.И. Почивалов, Б.Б. Овечкин2
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт механики и надежности машин НАНБ, Минск, 220072, Беларусь 2 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
B работе исследовали влияние пористости газотермических покрытий, а также вызванной этим их способности к пластическому деформированию на характер развития пластической деформации на мезоуровне при трехточечном изгибе композиций «покрытие -основа». Показано, что развитие пластической деформации практически с самого начала нагружения имеет вихревой характер, что связано с неоднородностью приложения к образцу нагрузки, а также различием физико-механических характеристик покрытия и основы. Однако в более пластичном покрытии, нанесенном газопламенным методом, масштаб вихревого движения имеет значительно меньший размер, что связано с эффективной релаксацией напряжений за счет пористости и разбиением «мезовихря» на ряд более мелких фрагментов. B связи с тем, что полосы локализованной деформации распространяются в подложку от границы ее раздела с газопламенным покрытием при приложении нагрузки как со стороны покрытия, так и со стороны подложки, обсуждается понятие концентраторов растягивающих и сжимающих напряжений.
1. Введение
Разработка методов восстановления рабочих поверхностей деталей машин и оборудования является весьма актуальной задачей, поскольку позволяет в значительной степени снижать затраты на приобретение новых комплектующих, либо продлевать ресурс работы деталей, уже снятых с производства. Немаловажным фактором, определяющим эффективность методов нанесения покрытий, является соотношение себестоимости восстановления и надежности его работы. Разработанные в ИМНМАШ НАНБ методы и установки для напыления покрытий с помощью активированной дуговой металлизации (АДМ-покрытия) и газотермического напыления (ГПН-покрытия) как раз предназначены для защиты и восстановления поверхностей деталей машин и механизмов, имеют высокую эффективность и производительность и малую себестоимость [1, 2].
В то же время, для аттестации наносимых покрытий, а также оптимизации режимов нанесения покрытий необходимо проводить исследование поведения композиций «покрытие - основа» при механическом нагру-
жении [3]. В этом отношении весьма информативными, а также оперативными могут являться испытания на трехточечный изгиб как экспресс-метод оценки прочностных свойств покрытия и всей композиции в целом. В работе [4] описывается подход, основанный на проведении исследований напыленных покрытий с использованием растрового электронного микроскопа, в которых нагружение композиций «двухстороннее покрытие - основа» проводили in situ по схеме трехточечного изгиба. Применение оптико-телевизионного метода наблюдения позволяет проводить экспресс-оценку прочностных свойств покрытий для оптимизации режимов их нанесения в условиях цеховых лабораторий или лабораторий контроля качества. Запись диаграммы на-гружения при этом позволяет оценивать уровень внешних напряжений, а также степень деформации, соответствующие началу растрескивания покрытия, а также моменту распространения магистральной трещины.
В условиях статического растяжения композиций «основа - покрытие» нагружение образца происходит равномерно по всей его рабочей части. При нагружении
© Панин C.B., Белоцерковский М.А., Сейфуллина М.П., Почивалов Ю.И., Овечкин Б.Б., 2004
по схеме трехточечного изгиба нагружение имеет комплексный характер: во-первых, к образцу прикладывается давление, концентрированное в небольшой по площади области; во-вторых, различие структуры и физико-механических характеристик покрытия и основы должно приводить к несовместности развития в них пластической деформации; в-третьих, максимальные растягивающие напряжения будут возникать на грани, противоположной к месту приложения нагрузки, в результате чего развитие пластической деформации в этой области будет опережать таковое в остальной части образца.
Значительная локализация деформации при нагру-жении по схеме трехточечного изгиба обусловливает вовлечение механизмов деформации мезомасштабного уровня практически с самого начала нагружения и позволяет выявить в «гипертрофированном» виде характер развития деформации в области границы раздела «покрытие - основа». Оптимизация структурных и геометрических параметров композиции «покрытие - основа» (толщина покрытия и переходного слоя, твердость и пластичность покрытия и т.п.) может быть проведена в ходе последующих компьютерных экспериментов [5, 6], модель для которых может быть уточнена (скорректирована) за счет результатов оптико-телевизионных исследований.
В работе [7] проводили исследование поведения композиции «подложка - напыленное покрытие» в условиях статического сжатия. При этом было выявлено, что напыленное покрытие в силу своей пористости обладает способностью к пластическому формоизменению: большей степенью которого характеризуется ГПН-покры-тие и меньшей АДМ-покрытие. Среди основных выявленных закономерностей деформирования были отмечены локальный изгиб образца, вызванный прохождением в подложке полосы Людерса, а также фрагментация ГПН-покрытия, завершающаяся формированием когезионных трещин по границам отдельных сплэтов и слоев сплэтов. Однако в работе [7] основное «нагру-жение» покрытия осуществлялось за счет бочкообразного изменения формы образца, в то время как в реальных условиях эксплуатации покрытия испытывают растягивающие/сжимающие нагрузки, и метод трехточечного изгиба достаточно близко соответствует таким условиям нагружения.
Результаты исследований поведения композиций с покрытиями при трехточечном изгибе, выполненных в рамках методологии физической мезомеханики, в литературе практически не описаны. В данной работе ставилась задача выявить роль пористости покрытия (как фактора, обусловливающего его способность к пластическому формоизменению), а также влияние толщины покрытий на характер развития пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне при локализованном приложении нагрузки как со стороны покрытия, так и со стороны подложки.
2. Материалы и методика эксперимента
Описание структуры покрытий, исследовавшихся в данной работе, приведено в статье [7], поэтому мы не будем подробно останавливаться на этом вопросе. Отметим лишь то, что остаточная пористость покрытий и наличие окислов обусловливали различие характера релаксации концентраторов напряжений в покрытиях обоих типов, что определяло отличия в характере развития деформации и разрушения.
Испытания на трехточечный изгиб проводили на механической испытательной машине «ИМАШ-2078» со скоростью 0.02 мм/мин. Для нагружения образцов использовали специальное устройство, позволяющее преобразовать растягивающие усилия в сжимающие. Одновременно с нагружением образца производили автоматическую запись диаграммы нагружения. Методика расчета кривой «напряжение - деформация» для трехточечного изгиба была основана на выражениях, приведенных в [8], и подробно описана в работе [9].
Для получения комплексной оценки характера поведения образцов с АДМ- и ГПН-покрытиями в работе использовали два направления приложения нагрузки: со стороны покрытия и со стороны подложки.
Также следует отметить, что толщины покрытий на образцах обоих типов были разные: 900 мкм для АДМ-покрытия и 500 мкм для ГПН-покрытия. К сожалению, такое различие не позволило точно проследить влияние структурных факторов на механическое поведение композиций «покрытие - основа» в чистом виде; однако нам удалось продемонстрировать, что в условиях воздействия на покрытия растягивающих напряжений большая толщина приводит к значительной локализации деформации и немедленному разрушению. Кроме того, использовавшаяся технология нанесения покрытий определяла и отличие толщины переходных подслоев, которая для АДМ-покрытия составляла 150 мкм, а для ГПН-покрытия — 50 мкм [7].
3. Результаты эксперимента
Отличие формы кривых течения при испытаниях по обеим схемам (рис. 1) связано с двумя факторами: различной толщиной покрытия в композициях обоих типов, а также различием пластичности и прочности АДМ- и ГПН-покрытий.
При приложении нагрузки со стороны покрытия изначально пластическая деформация развивается в области действия максимальных растягивающих напряжений, т.е. на поверхности подложки (см. рис. 2, а, а также рис. 6, а). Напряжение, соответствующее началу пластического течения, в композиции с АДМ-покры-тием составляет ~ 150 МПа, что на 100 МПа меньше значения для композиции с ГПН-покрытием (рис. 1, а). По всей видимости, такое различие связано с меньшей толщиной ГПН-покрытия, а также с меньшей толщиной
Относительная деформация в, % Относительная деформация в, %
Рис. 1. Кривые течения композиций «Ст3 - АДМ-покрытие» и «Ст3 - ГПН-покрытие» при приложении нагрузки со стороны покрытия (а) и со стороны подложки (б)
демпфирующего переходного слоя (таким образом, доля подложки в общей толщине композиции «основа - ГПН-покрытие» выше; при расчете напряжения течения толщина образцов в том и другом случае принималась равной). В целом, форма кривых течения образцов обоих типов до степени деформации ~1 % подобна. После этого напряжение течения в образце с ГПН-покрытием снижается быстрее, чем у его АДМ-аналога. Кроме того, на завершающем участке кривой, соответствующем образованию магистральной трещины в АДМ-покры-тии, происходило резкое падение напряжения течения (рис. 1, а).
При приложении нагрузки со стороны подложки независимо от типа покрытия пластическая деформация первоначально развивается в последней. Об этом свидетельствуют равенство пределов текучести для каждой из композиций а 02 = 150 МПа (рис. 1, б), а также мон-тажи оптических изображений боковых граней, снятые до и после растрескивания покрытий. В последующем более хрупкое [7] (и имеющее большую толщину) АДМ-покрытие растрескивается быстрее (при степени деформации порядка 8 ^ 0.1 %), что приводит к заметному снижению деформирующего напряжения с 220 до 120 МПа. В композиции с ГПН-покрытием, имеющим
Рис. 2. Монтажи оптических изображений (а, б, г) композиции «Ст3 - АДМ-покрытие»: 8 ~ 0.4 (а); 2 % (б); после разрушения (в) и РЭМ-изображение боковой грани покрытия (г); нагрузка прикладывается со стороны покрытия
большую пластичность, в процессе растрескивания покрытия наблюдается некоторое снижение напряжения течения (в момент завершения роста магистральной трещины в покрытии 8 ~ 0.35 %). При этом ее распространение протекает медленнее, чем в образце с АДМ-покрытием, что позволило более подробно проследить этот процесс в ходе проводившихся оптико-телевизионных исследований.
В целом, можно говорить, что для композиций обоих видов отличия в структуре, а также толщине покрытия и переходного слоя определили следующие несоответствия (см. рис. 1, б):
1) в величине степени деформации, соответствующей началу растрескивания, примерно в 3 раза (падающий участок для образца с АДМ-покрытием начинается при 8 ^ 0.1 %, в то время как для его ГПН-аналога его начало соответствует 8 ^ 0.3 %);
2) в степени локализации деформации (что определялось величиной падения напряжения после образования трещины в покрытии: порядка 100 МПа для образца с АДМ-покрытием и ~20 МПа для образца с ГПН-по-крытием);
3) в уровне внешнего напряжения, при котором происходило распространение магистральной трещины (в почти в два раза более толстом АДМ-покрытии магистральная трещина начинала распространяться при напряжении 220 МПа, в то время как в более тонком и более пластичном ГПН-покрытии уровень внешнего напряжения при этом составлял ~300 МПа).
3.1. Исследование деформации на мезоуровне при приложении нагрузки со стороны покрытия
3.1.1. АДМ-покрытие
При нагружении композиций с АДМ-покрытием по схеме трехточечного изгиба при приложении нагрузки со стороны покрытия можно выделить несколько характерных этапов развития деформации, основным критерием определения которых являются картины распределения деформации.
На начальном этапе максимальная локализация деформации наблюдается в подложке (на грани образца, противоположной к месту приложения нагрузки). На монтаже оптических изображений виден сформировавшийся в результате распространения полосы Людерса деформационный рельеф, имеющий вид треугольной области: на рис. 2, а эта область ограничена штриховыми линиями; на рис. 2, б при значительной деформации также видны две макрополосы (показаны стрелками), ограничивающие такую область.
На боковой грани композиции в месте приложения к покрытию нагрузки видно, что развитие деформации в композиции уже на ранних стадиях нагружения носит вихревой характер (направление вихревого движения
0
IS t£i & 1Ш IMШ t Ж—
»-г V .-ДЬаыА ^jS^^^jf
Рис. 3. Оптическое изображение (а) и распределение главного пластического сдвига (б) на боковой грани композиции «Ст3 - АДМ-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Степень деформации 8 ~ 0.1 %. Покрытие сверху. Размер изображения 1600x1200 мкм
на рис. 3, а показано стрелкой). При этом на картинах распределения векторов смещений не удается выявить границы отдельных сплэтов, что свидетельствует об их самосогласованном движении под действием локализованного приложения внешней нагрузки. Вихревой характер пластического течения на мезоуровне связан как с неоднородным приложением к образцу нагрузки, так и с несовместностью развития пластического течения в покрытии и основе. Факт неоднородного развития деформации в покрытии подтверждается картиной распределения главного пластического сдвига, максимальная величина которого в области наблюдения невелика и не превышает у < 2.4 • 10-5 (рис. 3, б). Уместно напомнить, что теоретические аспекты вихревого характера пластического течения в структурно-неоднородных материалах и причины его возникновения описаны в работе [10] на основе концепции волн локализованной пластической деформации.
По мере увеличения уровня внешней нагрузки масштаб самосогласованного развития пластической деформации в композиции возрастает, при этом вихревой характер развития пластического течения сохраняется (направление вихревого движения показано на рис. 4, а стрелкой). Максимальное значение главного пластического сдвига в области, показанной на рис. 4, б, не превы-
Рис. 4. Поле векторов смещений (а) и распределение главного пластического сдвига (б) в композиции «Ст3 - АДМ-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Линия обозначает границу раздела. Степень деформации 8 ~ 0.5 %. Размер изображения 1600x1200 мкм
шает у = 8 • 10-5. В то же время, это значение существенно выше, чем для распределения, приведенного на рис. 3, б для меньшей степени деформации 8 ^ 0.1 %.
Как уже отмечалось выше, нагружение исследованных композиций по схеме трехточечного изгиба обусловливает локальное уменьшение толщины покрытия в области приложения изгибающей нагрузки (локальное вдавливание). Последнее, а также несовместность развития пластической деформации в покрытии и основе при больших степенях деформации сопровождается возникновением двух движущихся навстречу друг другу «мезовихрей» (фрагментов покрытия), размер которых сопоставим с его толщиной (рис. 5). Граница такого «мезовихря» относительно соседнего, а также относительно границы раздела становится при разрушении местом распространения магистральной трещины (см. рис. 2, г). Вихревой характер движения материала в покрытии не сопровождается таковым в материале подложки, что связано с различием его структуры, механических характеристик, а следовательно, и интенсивности деформации. В результате именно на границе раздела наблюдается значительная по уровню локализация деформации: максимальное значение главного пластического сдвига равняется у = 2.2 • 10-4. Логическим завершением вихревого движения является зарождение и распространение в АДМ-покрытии сквозной магистраль-
Рис. 5. Картина распределения векторов смещений (а) и оптическое изображение (б) на боковой грани композиции «Ст3 - АДМ-покры-тие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Степень деформации 8 ~ 1.9 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
ной трещины при степени деформации 8 ^ 0.12 % (см. также рис. 2, г).
3.1.2. ГПН-покрытие
На рис. 6 приведены монтажи оптических изображений боковой грани композиции с ГПН-покрытием при его нагружении со стороны покрытия. Видно, что, как и в случае композиции с АДМ-покрытием, развитие пластической деформации начинается в подложке, а деформационный рельеф также имеет вид треугольной области. Однако заслуживает внимания другой факт: от границы раздела «покрытие - основа» формируются две полосы локализованной деформации (на рис. 6 обозначены стрелками), причем формирования трещин в покрытии при этом не наблюдается. Расстояние между местами зарождения полос составляет 2200 мкм, что соответствует ~4.5 толщинам покрытия (рис. 6). По всей видимости, формирование подобных элементов деформационного мезорельефа связано с меньшей толщиной и большей пластичностью ГПН-покрытия (в отличие от композиции с АДМ-покрытием, где последнее практически полностью сдерживало развитие деформации в нижележащих слоях подложки).
Анализ РЭМ-изображений (рис. 6, в, г) показывает, что в целом разрушение композиций с ГПН-покрытия-ми происходит подобно разрушению образцов с АДМ-
R
ï î?: ? • .'.'" 'Ш:.; ' Г . / V ■ : " '-* *
' А N.
g : ^ / \ ' ' ; '
Рис. 6. Монтажи оптических изображений (а, б) композиции «Ст3 -ГПН-покрытие»: 8 - 0.2 (а); 2 % (б); РЭМ-изображения боковой грани покрытия (в, г); нагрузка прикладывается со стороны покрытия
покрытиями: магистральная трещина растет от места приложения изгибающей нагрузки сквозь покрытие до границы раздела, а затем распространяется в виде адгезионной трещины до края образца (рис. 6, в). Различие между композициями обоих видов заключается в харак-
тере распространения трещины в покрытии: если в ГПН-покрытии разрушение носит вязкий характер, сопровождающийся ветвлением трещины (рис. 6, г), то в АДМ-покрытии магистральная трещина более четко выражена, а характер ее распространения носит более хрупкий характер (рис. 2, в). Следует отметить, что выявленные закономерности распространения трещин в покрытиях обоих типов в целом аналогичны закономерностям, полученным при исследовании поведения образцов этих же композиций в условиях сжатия [7].
Результаты оптико-телевизионных исследований показали следующее. На начальных этапах нагружения развитие деформации на мезомасштабном уровне носит неоднородный характер, однако вихревого движения материала в зоне локализованного приложения нагрузки не наблюдается (рис. 7, б). Особый интерес вызывает формирование и распространение от границы раздела полос локализованной пластической деформации (на рис. 7, а такая полоса обозначена стрелкой). По всей видимости, возникновение данных мезополос связано с действием на границе раздела «покрытие - основа» мощных мезоконцентраторов напряжений за счет дополнительной пластической деформации участка покрытия, происходящего вследствие концентрированного приложения к образцу нагрузки (давления). Деформационный рельеф в области, ограниченной двумя такими мезополосами проявляется сильнее, нежели в материале вне этой области (см. рис. 6, а). Это позволяет говорить о дополнительном локальном нагружении подложки в данной области за счет локализованного развития деформации в покрытии в месте его контакта с пуансоном. Также заслуживает внимания результат, касающийся значения главного пластического сдвига в наблюдаемой области. На приведенном на рис. 7, в распределении видно, что максимальное значение главного пластического сдвига у превышает 1 • 10-3. При этом областей выраженной локализации деформации выявить не удается ни в области границы раздела, ни внутри ме-зополосы. При последующем нагружении максимальное значение у в наблюдаемой области снижается.
Постепенно несовместность развития пластической деформации в покрытии и основе приводят к вихревому характеру развития пластического течения. На рис. 8, б показана картина распределения векторов смещений, иллюстрирующая масштаб подобного фрагмента образца, вовлеченного в вихревое движение. Направление движения при этом совпадает с направлением приложения нагрузки. Следует отметить, что наблюдаемая картина в целом подобна таковой для композиции с АДМ-покрытием (см. рис. 4, а). Анализ оптического изображения (рис. 8, а) показывает, что помимо вышеупомянутой мезополосы в подложке в области, прилегающей к границе раздела, формируется область интенсивного развития деформационного рельефа. По всей видимости, его происхождение связано с «дополнитель-
1111!!!
-МММ!
44 -УЛЧгМ
№
Л////~УУУг~//А,, , ! 1 ! УУУУ/1 \» ^ -
М !---М !.....
! гууу^} I п ¡; — 11 т\)Щ\ШГ:\ =
М Т Г I ТГ
1х£г:
№
| НI Щ : ! 11:!!! Н™ :
ЩШ1.....
ШШШШ
Рис. 7. Оптическое изображение (а), поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в композиции «Ст3 - ГПН-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Степень деформации 8 ~ 0.2 %. Покрытие сверху. Линия обозначает границу раздела. Размер изображения 1 600 х 1200 мкм
ным нагружением» подложки, реализуемым за счет более интенсивного развития деформации в вышележащей области покрытия. По нашему мнению, следует говорить о действии на приграничный с покрытием слой подложки растягивающих напряжений, вызванных пластическим формоизменением первого за счет действия пуансона нагружающего устройства. При больших степенях деформации развитие последней отличается от такового для композиции с АДМ-покрытием (см. п. 3.1.1). При этом в области приложения нагрузки толщина покрытия локально уменьшается за счет его пластического формоизменения. В нижележащей области подложки полосы локализованной деформации сильно выражены (на рис. 8, г обозначены стрелками).
Рис. 8. Оптические изображения (а, г), соответствующее поле векторов смещений (б), распределение поворотной компоненты тензора пластической дисторсии (в) в композиции «Ст3 - ГПН-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Деформация 8-1.5 (а); 2.8 % (г). Размер изображения 1 600х 1 200 мкм
Последующее исследование характера развития ме-зоскопической деформации в покрытии при больших степенях деформации проводили при использовании
жен испытывать растягивающие напряжения, передаваемые ему подложкой. Данный тезис подтверждается картиной векторов смещений (рис. 9, б). Особо следует отметить роль переходного слоя, распределение векторов смещений в котором отличается от такового в покрытии и основе, однако именно подслой, по всей видимости, и позволяет сохранять адгезионное сцепление между покрытием и основой при достаточно высоких степенях деформации. Кроме того, образование не-сплошностей привело к повышению уровня максимального пластического сдвига в области наблюдения, которое составило у = 1 • 10-3.
Рис. 9. Оптическое изображение (а), поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в композиции «Ст3 - ГПН-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Деформация 8 - 3 %. Покрытие сверху. Линия обозначает границу раздела. Размер изображения 800 х 600 мкм
б ольшего увеличения (размер изображений ~800х х600 мкм). На приведенном оптическом изображении (рис. 9) видно, что даже при значительной степени пластической деформации покрытия (произошло микрорастрескивание по границам сплэтов) формирования магистральной трещины не произошло. Можно говорить о различном характере развития деформации, проявляющемся в виде «послойной неоднородности» в развитии пластического течения: с одной стороны в области локализованного приложения к образцу изгибающей нагрузки в приповерхностном слое развиваются значительные сжимающие напряжения. Нижележащий слой покрытия, прилегающий к границе раздела, дол-
3.2. Приложение нагрузки со стороны подложки 3.2.1. АДМ-покрытие
Испытания по данной схеме проводили с целью выяснения особенностей развития деформации и зарождения трещины в композициях с исследуемыми покрытиями в случае возникновения на их поверхности растягивающих напряжений. Анализ монтажей оптических изображений образцов с АДМ-покрытиями показал, что развитие деформации начинается в подложке, в месте приложения к образцу (подложке) изгибающей нагрузки (на рис. 10, а показано стрелкой).
К сожалению, большая толщина АДМ-покрытий не позволила проследить динамику зарождения и распространения трещин при такой схеме нагружения композиции, поскольку зарождение и рост единственной (в данном случае магистральной) трещины происходили с высокой скоростью. Однако нам удалось зафиксировать картину распределения деформации непосредственно перед возникновением магистральной трещины в покрытии (при прорастании микротрещины от поверхности покрытия к границе раздела). На рис. 11 приведены оптическое изображение, соответствующая картина векторов смещений, а также распределение главного пластического сдвига. Видно, что разрушению покрытия предшествует формирование полосы локализованной пластической деформации (рис. 11, б, в), ориентация которой (составляющая угол примерно 45 градусов к направлению приложения нагрузки) не соответствует направлению последующего распространения магистральной трещины (см. рис. 10, а). Однако большую локализацию деформации вызывает несовместность сдвиговых деформации в покрытии и основе (именно в этой области значение главного пластического сдвига имеет большее значение, рис. 11, в).
Распространение магистральной трещины происходит одновременно по всей ширине образца (рис. 10, в), при этом рост трещины носит хрупкопластический характер, а в расположенной под магистральной трещиной области подложки формируется область локализации деформации в виде розетки (рис. 10, а).
Рис. 10. Монтаж оптических изображений боковой грани композиции с АДМ-покрытием при его нагружении со стороны подложки (а); РЭМ-изображения боковой грани (б) и поверхности (в) растрескавшегося АДМ-покрытия. Деформация 8 - 0.7 %
3.2.2. ГПН-покрытие
Развитие деформации при приложении нагрузки к подложке, как и вышеописанном случае, начиналось в подложке (рис. 12, а). Действие на поверхности покрытия растягивающих напряжений приводило к дополнительному нагружению приграничного с ним слоя подложки (имеющему характер сжатия), что сопровождалось распространением от границы раздела мезополос локализованной пластической деформации (на рис. 12, а показаны стрелками). Данный эффект является проявлением несовместности развития деформации в покрытии и основе и наблюдается в композициях с ГПН-покрытиями при любом направлении приложения нагрузки (см. также рис. 6, а).
Рис. 11. Оптическое изображение (а) и соответствующее данной степени деформации поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в композиции «Ст3 - АДМ-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны покрытия. Деформация 8-0.1 %. Покрытие сверху. Линия обозначает границу раздела. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
В то же время, характер растрескивания ГПН- и АДМ-покрытий при такой схеме приложения нагрузки различался. На РЭМ-изображениях (рис. 12, б, в) видно, что распространение магистральной трещины носит более вязкий по сравнению с АДМ-аналогом характер. Кроме того, вид кривой течения свидетельствует о том, что формирование основной трещины в ГПН-покрытии не приводило к значительной локализации деформации (см. рис. 1, б).
Развитие деформации в композиции с ГПН-покры-тием при приложении изгибающей нагрузки со стороны подложки во многом напоминает картину развития деформации при сжатии параллельно границе раздела
' \
т
т . т
А СТ
Рис. 12. Монтаж оптических изображений боковой грани композиции с ГПН-покрытием (а), РЭМ-изображения боковой грани (б) и поверхности (в) растрескавшегося покрытия. Нагружение со стороны подложки. Деформация: 8 - 0.2 (а); 0.7 % (б, в)
«покрытие - основа», описанную в работе [7]. На начальных стадиях деформации в подложке формировалась полоса локализованной деформации, ориентированная под углом ~45 градусов к направлению приложения нагрузки. Наиболее наглядно ее формирование проявляется на картине распределения главного пластического сдвига (рис. 13, б). Максимальное значение последнего составляет у = 1.6 • 10-4.
Перед формированием в покрытии магистральной трещины картина распределения векторов смещений достаточно близко напоминает таковую для экспери-
Рис. 13. Поле векторов смещений (а) и распределение главного пластического сдвига (б) на боковой грани композиции «Ст3 - ГПН-по-крытие». Нагрузка прикладывается со стороны подложки. Степень деформации 8 - 0.2 %. Размер изображения 1 600 х 1200 мкм
ментальных данных, описанных в работе [7]. Налицо различие характера развития пластической деформации в покрытии и основе (рис. 14, б): смещения в покрытии явно не соответствуют перемещениям участков поверхности подложки, расположенных под соответствующей областью покрытия. Подобная несовместность развития деформации в покрытии и основе наглядно подтверждается картиной распределения главного пластического сдвига (рис. 14, в). Локализация деформации, вызванная подобной несовместностью, приводит к повышению максимального значения главного пластического сдвига до у = 5 • 10-4.
Следующее за этим распространение в покрытии трещины сопровождается формированием в подложке двух полос локализованной пластической деформации, распространяющихся от границы раздела (место, соответствующее вершине когезионной трещины в покрытии). В полосе локализованной деформации значение главного пластического сдвига достигает достаточно большой величины у = 1.4 • 10-3. Большая степень локализации деформации внутри одной из таких мезополос связана с тем, что трещина сформировалась не по нормали к границе раздела (см. рис. 12, б). Тем не менее, сформировавшие в подложке мезополосы обеспечивают эффективную релаксацию концентратора напряжений в вершине когезионной трещины, что обусловливает последующее увеличение напряжения течения при
* - у ' "rK- é
т . т
А СТ
10
Рис. 14. Оптические изображения (а, г), соответствующие поля векторов смещений (б, д) и распределения главного пластического сдвига (в, е) в композиции «Ст3 - ГПН-покрытие». Нагрузка прикладывается со стороны подложки. Степень деформации 8 - 0.3 (а-в), 0.4 % (г-е). Размер изображения 1 600 х 1200 мкм
степенях деформации 8 ^ 0.4-0.7 % (см. рис. 1, б). При последующем нагружении (по аналогии с результатами, представленными в работе [11]) такой образец будет сохранять сдвиговую устойчивость на макромасштабном уровне до тех пор, пока от трещины в покрытии не сформируется макрополоса локализованной пластической деформации, охватывающая все поперечное сечение образца.
4. Обсуждение результатов
Прежде всего следует отметить, что испытания по схеме трехточечного изгиба приводят к созданию в образце весьма сложного напряженно-деформированного состояния. При этом можно выделить три конкурирующих процесса, обусловливающих локализованное развитие пластической деформации на границе раздела
«покрытие - основа». Во-первых, подложка/покрытие (в зависимости от схемы приложения нагрузки) испытывает максимальные растягивающие напряжения, и это определяет более интенсивное деформирование. Во-вторых, различие структуры и физико-механических характеристик покрытия и основы определяет различный характер протекания пластической деформации в них. В-третьих, материал в месте приложения изгибающей нагрузки будет испытывать дополнительное нагруже-ние, сопровождающееся локальным уменьшением его толщины (что особенно актуально при приложении нагрузки к покрытию, способному к пластическому формоизменению).
Сопоставление и анализ кривых течения свидетельствуют о том, что наиболее важный практический результат связан с возможностью сохранения несущей
способности композиции «покрытие - основа» даже после образования магистральной трещины вследствие его более высокой пористости и меньшей толщины, обеспечивающих релаксацию напряжений в вершине распространяющейся магистральной трещины. По этой же причине уровень прикладываемой к образцу нагрузки в образце с ГТН-покрытием, при образовании в последнем магистральной трещины, уменьшается в незначительной степени.
4.1. Приложение нагрузки со стороны покрытия
Большая пористость ГПН-покрытия обеспечивает еще один важный эффект. Вихревой характер пластического течения при приложении нагрузки со стороны покрытия является специфической чертой развития деформации в композициях обоих типов, однако в случае образцов с ГПН-покрытием на начальных стадиях деформации подобный характер развития деформации не наблюдается. Кроме того, при больших степенях деформации пластическое деформирование такого покрытия за счет образования несплошностей по границам отдельных сплэтов, а также сминания пор исключает протекание вихревой пластической деформации (см. рис. 9). Напротив, в образце с более хрупким АДМ-по-крытием вихревое движение материала наблюдается в месте контакта образца с пуансоном нагружающего устройства. После этого размер области, имеющей подобный характер пластического течения, увеличивается. Предельным случаем фрагментации является формирование двух мезовихрей, движение материала в которых навстречу друг другу обусловливает зарождение на границе раздела магистральной трещины и последующее разрушение композиции.
Сопоставление полученных данных с результатами работы [9], где испытывали образцы с пластически деформируемыми оплавленными газотермическими покрытиями, показывает, что в случае ГПН-покрытия оно принимает на себя основную нагрузку. При этом приграничный с ним слой подложки остается слабодеформи-рованным. Это подтверждается формированием в первом полос локализованной пластической деформации. По всей видимости, приповерхностный слой покрытия испытывает сжимающие нагрузки, в то время как приграничный с подложкой слой покрытия испытывает растягивающие напряжения. Их релаксация и происходит путем распространения в подложке мезополос (рис. 8, г). В случае же оплавленных ГТН-покрытий [9] основная нагрузка «передавалась» от покрытия к основе, что обеспечивало эффективную релаксацию макроконцентратора напряжений, действующего в месте приложения к образцу нагрузки.
В образце с АДМ-покрытием причиной его разрушения послужил еще один фактор. Большая толщина покрытия и формирование в подложке зоны локализованной деформации, при достаточно быстром увели-
чении площади последней, привели к дополнительной локализации деформации в области границы раздела (см. рис. 2, б). Таким образом, приграничный с покрытием слой подложки оказался дополнительно нагруженным за счет действия растягивающих напряжений. В то же время, пуансон нагружающего устройства создавал на поверхности покрытия сжимающие напряжения. Скорее всего, по этой причине в данной области сформировались два мезовихря, приведшие к разрушению покрытия.
В этой связи при выборе толщины покрытия следует избегать ситуации, когда формирующаяся в подложке за счет действия растягивающих напряжений зона локализации деформации распространяется до границы раздела «покрытие - основа». В данном случае прослеживается аналогия с работой [12], поскольку формирование зоны локализованной деформации на пространстве от поверхности подложки до границы его раздела с покрытием свидетельствует о выходе деформации на макромасштабный уровень, что можно трактовать как наступление стадии предразрушения.
4.2. Приложение нагрузки со стороны подложки
Данная схема нагружения является более опасной для композиций «покрытие - основа», поскольку действие растягивающих напряжений на хрупкое покрытие достаточно быстро заканчивается их разрушением [13, 14]. С нашей точки зрения, наиболее значимыми результатами в данном разделе являются более высокая релаксационная способность ГПН-покрытия, связанная с его пористостью, что проявилось, прежде всего, на кривых течения, а также на РЭМ-изображениях разрушенных образцов (рис. 12, б, в). Кроме того, подтвердился тот факт, что не всегда увеличение толщины покрытия обеспечивает максимальное повышение эксплуатационных характеристик композиции «покрытие - основа».
Также следует отметить и картину распределения деформации, предшествующую распространению магистральной трещины в ГПН-покрытии (рис. 14, б, в). Прежде всего, характер развития деформации при этом практически идентичен картине деформации при на-гружении в условиях сжатия образца с АДМ-покрытием [7]. Подобное отличие связано с различием схем напряженно-деформированного состояния при трехточечном изгибе и сжатии. При этом наиболее наглядно иллюстрируется тезис о несовместности сдвиговых деформаций в сопрягаемых материалах покрытия и основы, мезомасштабные механизмы пластического течения в которых различны. Именно в месте, где распределение главного пластического сдвига изменяется ступенчато при переходе от покрытия к основе, и происходит возникновение магистральной трещины.
В заключение еще раз отметим, что в процессе эксплуатации композиций «покрытие - основа» зачастую не удается избежать возникновения трещин в покрытии.
Важным является обеспечение условий, в которых наличие этих трещин не обусловливает быстропротекаю-щую локализацию деформации с выходом последней на макромасштабный уровень и последующим разрушением. При этом эффективная релаксация может быть обеспечена за счет нескольких факторов: наличия большого количества мелких дисперсных трещин [15], градиентной многослойной структуры покрытия и формирования трещин только в верхних слоях [16]; релаксации концентраторов напряжений за счет распространения в подложке полос локализованной деформации [16, 17], наличия остаточной пористости.
5. Заключение
Развитие пластической деформации в композициях «покрытие - основа» при испытаниях на трехточечный изгиб практически с самого начала нагружения имеет вихревой характер, что связано с неоднородностью приложения к образцу нагрузки, а также различием физико-механических характеристик покрытия и основы. Однако в более пластичном ГПН-покрытии вихревое движение имеет значительно меньший масштаб, что связано с эффективной релаксацией напряжений за счет пористости и разбиением «мезовихря» на ряд более мелких фрагментов.
При нагружении композиции с более пластичным ГПН-покрытием со стороны последнего развитие пластической деформации носит характер послойной неоднородности: в приповерхностном слое покрытия действуют сжимающие напряжения, в нижележащем слое покрытия, прилегающем к границе раздела, действуют растягивающие напряжения, передаваемые ему подложкой. Последние создают мезоконцентраторы растягивающих напряжений, которые релаксируют мезополо-сами локализованной деформации.
Формирование области локализации деформации в подложке от поверхности до границы раздела (при на-гружении со стороны покрытия) выводит деформацию на макромастабный уровень и интенсифицирует процесс разрушения покрытия. Это может быть классифицировано как наступление стадии предразрушения образца.
Полосы локализованной деформации распространяются от границы раздела ГПН-покрытия в подложку при нагружении при обоих схемах нагружения. При приложении нагрузки со стороны покрытия их развитие связано с действием растягивающих напряжений, в том числе за счет «дополнительного» деформирования покрытия. При приложении нагрузки со стороны подложки они возникают вследствие действия на подложку сжимающих напряжений. При этом можно говорить о действии в первом случае концентраторов растягивающих, а во втором — сжимающих напряжений.
Характеры распределения деформации на стадии предразрушения при сжатии образца с АДМ-покрытием и трехточечном изгибе образца с ГПН-покрытием являются подобными и вызваны несовместностью сдвиговых деформаций в них. Область, где распределение главного пластического сдвига изменяется ступенчато при переходе от покрытия к подложке, соответствует месту зарождения магистральной трещины.
Благодарности
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта РФФИ-БРФФИ (№ 02-01-81003-Бел2002_а), а также гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» (грант НШ-2324.2003.1).
Литература
1. Ивашко B.C., Белоцерковский М.А., Байкус К.Б. и др. Восстановление узлов трения активированной дуговой металлизацией // Автоматическая сварка. - 1999. - № 4. - С. 47-49.
2. Белоцерковский М.А. Разработка экономичного и высокоэффективного оборудования для газопламенного напыления // Наука — производству. - 1999. - № 6. - С. 14-16.
3. Panin V.E., Belyuk S.I., Durakov V.G., 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.
4. OndreijKovarik. In-situ methods of study of failure processes ofplasma sprayed coatings // Abstracts of Junior Euromat'2000, August 28 -September 1, 2000, Lausanne, Switzerland. - P. 503.
5. BalokhonovR.R., Panin S. V., Romanova V.A., MakarovP. V. Simulation
of stress concentration and localized plastic flow in coated materials on the mesolevel // Proc. Int. Conf. on New Challenges in Meso-mechanics, August 26-30, 2002, Aalborg University, Denmark. -P. 587-590.
6. Balokhonov R.R., Panin S. V., Romanova V.A., Schmauder S., Makarov P. V Numerical simulation of deformation and fracture in low-carbon steel coated by diffusion borating // Theor. and Appl. Fract. Mech. - 2004. - V. 41. - Nos. 1-3. - P. 9-14.
7. Витязь П.А., Клименов B.A., Панин C.B., Нехорошков О.Н., Белоцерковский М.А., Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. Влияние структуры и свойств покрытия и основы на поведение композиции «сталь 40Х13 - малоуглеродистая сталь» в условиях деформации сжатием // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 1. - С. 37-49.
8. БеляевН.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 608 с.
9. Панин C.B., Клименов В.А., Сейфуллина М.П., Почивалов Ю.И., Овечкин Б.Б. Влияние обработки ультразвуком в процессе оплавления газотермических покрытий на характер деформирования и разрушения композиций «покрытие - основа» при трехточечном изгибе // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 2. - С. 105-115.
10. Егорушкин В.Е. Динамика пластической деформации. Волны локализованной пластической деформации в твердых телах // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - С. 50-77.
11. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л., Мирхайдарова А.И. Самоорганизация зон повышенной пластичности в области геометрических концентраторов напряжений и характер разрушения меди при разрушении // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 5. -С. 47-52.
12. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Дерюгин Е.Е., Панин А.В., Панин С.В., Антипина Н.А. Закономерности и стадии предразруше-
ния в физической мезомеханике // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. -№ 6. - С. 97-106.
13. Тушинский Л.И., Плохое A.B., Столбов A.A., Синдеев В.И. Конструктивная прочность композиции «основной металл - покрытие». - Новосибирск: Наука, 1996. - 296 с.
14. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова H.A. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностей упрочненных образцов при статическом растяжении // Физика металлов и металловедение. - 1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
15. Панин С.В., Коваль A.B., Почиеалое Ю.И., Ткаченко А.Ю., Иваненко A.B. Влияние толщины и структуры поверхностных борид-
ных слоев на развитие пластической деформации и разрушение образцов конструкционных сталей при сжатии // Физ. мезомех. -2003. - Т. 6. - № 5. - С. 81-92.
16. Панин С.В., Кашин O.A., ШаркеевЮ.П. Изучение процессов пластической деформации на мезомасштабном уровне инструментальной стали, поверхностно упрочненной методом электроискрового легирования // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. - С. 75-85.
17. Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков ГЛ. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
Investigation into the features of deformation development at the mesolevel and fracture of compositions with sprayed coatings at three-point bending
S.V. Panin, M.A. Belotserkovskii1, M.P. Seifullina2, Yu.I. Pochivalov, and B.B. Ovechkin2
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Mechanics and Reliability of Machines NASB, Minsk, 220072, Belarus 2 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634034, Russia
In the paper we study the effect of gas-thermal coating porosity as well as coating ability to plastic deformation induced by this effect on the character of plastic deformation development at the mesolevel at three-point bending of "coating - substrate" compositions. It is shown that from almost the very beginning of loading plastic deformation development has a vortex character. This is related to the nonuniform loading of the specimen and to differences in physico-mechanical characteristics of the coating and substrate. However, in a more plastic gas-thermal coating the scale of vortex motion is much smaller, which is associated with the effective relaxation of stresses due to porosity and "vortex" separation into smaller fragments. Relating to the fact that localized deformation bands propagate into the substrate from the "substrate - gas-thermal coating" interface, when loading is applied from both the coating and substrate, we discuss the notion of tension and compression stress concentrators.
