CC BY
42
Исследование влияния адгезионной прочности на характер развития пластической деформации на мезоуровне композиций с газодинамически напыленными покрытиями
С.В. Панин, А.П. Алхимов1, В.А. Клименов, Н.Н. Коробкина2, О.Н. Нехорошков
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 2Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
Исследованы закономерности развития пластической деформации на мезомасштабном уровне образцов малоуглеродистой стали с функциональными двухслойными пластически деформируемыми покрытиями, нанесенными методом холодного газодинамического напыления. Показано, что в зависимости от соотношения когезионной и адгезионной прочности покрытия характер пластического течения композиции на мезомасштабном уровне может качественно изменяться. На основании анализа экспериментальных данных, полученных с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC, иллюстрируются механизмы пластической деформации, сопровождающие возникновение и релаксацию мезоконцентраторов напряжений на границе раздела “покрытие - матрица”.
1. Введение
В последнее время разработан ряд технологий для нанесения защитных, упрочняющих и функциональных покрытий, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Метод холодного газодинамического напыления занимает в этом ряду достойное место, поскольку характеризуется отсутствием значительного термического воздействия частиц напыляемого материала на подложку, возможностью напыления большого спектра порошковых материалов, возможностью регулирования процесса напыления в широких пределах [1-8]. Кроме того, в литературе сообщается о реализации процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в процессе холодного газодинамического напыления [9].
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях, имеющих резко выраженную прямолинейную границу раздела “покрытие - основа”, определяется, в основном, толщиной покрытия, величиной адгезионной прочности и соотношением механических характеристик (и, прежде всего, пластичности) сопрягаемых материалов [10]. Так, при исследовании характера развития пластического течения на мезомасштабном уровне в композициях “мало-
углеродистая сталь - газотермически напыленное покрытие” было показано, что при нагружении образцов с защитными покрытиями, предел прочности которых был ниже предела текучести основы, зарождение трещин происходит не на внутренней границе раздела, а на поверхности покрытия [10]. Там же было продемонстрировано, что при определенных толщинах газотермического покрытия разрушение композиции происходит путем адгезионно-когезионного растрескивания, при этом покрытие сохраняется на поверхности основы вплоть до высоких степеней деформации. Развитие подобного эффекта связывалось с наличием в покрытии пор, на которых происходила эффективная релаксация концентраторов напряжений, действующих в вершинах распространяющихся в покрытии трещин. При увеличении толщины покрытия выше некоторого значения (150 мкм) сквозная пористость значительно снижалась, в результате чего пластическая деформация композиций развивалась путем полного адгезионного отслоения покрытия.
Еще одной важной выявленной закономерностью, описанной в [10], было установление связи между величиной адгезионной прочности и характером развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в подложке. В частности было показано, что при малом
© Панин С.В., Алхимов А.П., Клименов В.А., Коробкина Н.Н., Нехорошков О.Н., 2000
уровне адгезионной связи отслоение покрытия может происходить только за счет действия сдвиговых напряжений в области распространяющего фронта полосы Людерса. При этом локализация пластической деформации в подложке, выявляемая по анализу распределения векторов смещений, происходила лишь в небольшой области предстоящего отслоения покрытия в приповерхностном слое. Если же величина адгезионной прочности была увеличена, например, за счет предварительной дробеструйной обработки основы, отслоение покрытия происходило за счет локального изгиба всего образца. Изгиб наблюдался в том месте рабочей части образца, в котором находилась вершина адгезионной трещины. Последняя, в свою очередь, распространялась вдоль границы раздела параллельно фронту полосы Людерса [10].
Покрытия, формируемые методом холодного газодинамического напыления, как правило, имеют функциональное назначение. Исследовавшиеся в данной работе композиции применяются для защиты контакторов, испытывающих воздействия токов высокой плотности (электрическое нагружение). Однако аттестацию таких материалов можно проводить и в условиях механического нагружения. В данной работе представлены результаты исследования процессов пластического течения на мезомасштабном уровне, развивающихся в композициях с двухслойными газодинамическими покрытиями различного состава и имеющими, соответственно, различную величину адгезионной прочности.
2. Материал и методика исследований
В качестве материала подложки в работе использовали низкоуглеродистую сталь Ст3. Нанесение покрытия осуществлялось с двух сторон образца методом холодного газодинамического напыления. С использованием различных режимов обработки были созданы двухслойные покрытия на основе меди, алюминия и цинка. Всего в работе было исследовано шесть типов композиций с покрытиями: А1^п, А1-Си, Си-А1, Си-Zn, Zn-Al, Zn-Cu.
Образцы для испытаний имели форму двухсторонней плоской лопатки, размер рабочей части которой составлял 24.9 х 2.7 х 4.9 мм3. Развитие пластической деформации изучалось на боковой грани образцов в области границы между покрытием и основой. Испытания на одноосное статическое растяжение проводили на механической испытательной машине “ИМАШ-2078” со скоростью 0.05 мм/мин. Характер развития деформационного рельефа исследовали с использованием оптикотелевизионного измерительного комплекса “TOMSС-1”, принцип действия которого основан на компьютерной обработке оптических изображений. Исследование характера пластической деформации на мезомасштабном уровне проводили путем анализа построенных полей векторов смещений участков поверхности.
Анализ влияния процесса холодного газодинамического напыления на структуру и свойства приповерхностного слоя подложки проводили по металлографическим изображениям поверхности боковой грани образцов после химического травления (в 3 %-ном растворе азотной кислоты) и измерения микротвердости. Величина нагрузки, прикладываемой в процессе измерений к пирамидке Виккерса, составляла 1 Н.
3. Результаты эксперимента
Основной особенностью проведенных экспериментов было то, что все исследованные в работе композиции имели двухслойное покрытие. Однако основные процессы пластической деформации на мезомасштаб-ном уровне, фиксируемые с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса, развивались, преимущественно, на границе раздела “покрытие - основа”. Последнее было связано с большей степенью различия механических характеристик (и, прежде всего, пластичности) сопряженных материалов покрытия и основы. Поэтому все описанные в данной статье результаты касаются только процессов, которые вызваны несовместностью развития пластической деформации [11] в покрытии в целом и в матрице, и не учитывают в явном виде процессы, развивающиеся на границе раздела между слоями газодинамического покрытия. Результаты данной работы не позволили выявить четкой корреляции между режимами и составами напыляемых покрытий и величиной адгезионной прочности. Поэтому в статье не обсуждаются вопросы взаимосвязи режимов формирования покрытий и вариантов развития пластической деформации на мезомасштабном уровне.
Проведенный металлографический анализ показал, что в процессе холодного газодинамического напыления не происходило изменение структуры и микротвердости подложки. Величина микротвердости материала подложки, независимо от расстояния от поверхности, для всех исследовавшихся композиций составляла ~ 1430 МПа. Исследование структуры приповерхностного слоя (на глубину до 200 мкм) также не обнаружило признаков изменения исходной структуры по сравнению с материалом сердцевины. Полученные данные свидетельствуют о том, что изменение механических характеристик покрытия и основы на границе их раздела имело резко выраженный характер.
Анализ полученных результатов позволил выявить три основных сценария развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в исследованных композициях, определявшихся, прежде всего, соотношением адгезионной и когезионной прочностей покрытий. Влияние соотношения между адгезионной и когезионной прочностью при этом заключается в следующем. Если величина адгезионной прочности превышала когезионную — развитие пластической деформации сопровождалось образованием поперечных трещин в по-
о ю 20 30 40 8, %
Рис. 1. Кривые течения образцов с двухслойными газодинамическими покрытиями, имеющими различный уровень адгезионной прочности: 1 — максимальная адгезия; 2 — средний уровень адгезии; 3 —минимальная адгезионная прочность
крытии. Если же когезионная прочность была выше адгезионной, то пластическое течение в композиции обусловливало отслоение покрытия. Схематически развитие пластического течения по каждому из сценариев можно описать следующим образом.
Первый сценарий развития пластического течения заключается в первоначальном когезионном растрескивании покрытия по всей длине рабочей части, разделении его на фрагменты с последующим развитием локализованной пластической деформации в области границы раздела, завершающегося адгезионным отслоением сформировавшихся фрагментов покрытия.
Вторым сценарием развития пластической деформации в композициях с газодинамическими покрытиями является эстафетное когезионное растрескивание покрытия, сопровождающееся формированием фрагмента покрытия между двумя соседними поперечными трещинами и его последующим адгезионным отслоением.
Третьим сценарием развития пластической деформации в исследованных композициях является полное адгезионное отслоение покрытия не сопровождающееся растрескиванием последнего.
На рис. 1 приведены кривые течения образцов с покрытиями, нанесенными в различных режимах газодинамического напыления. Номера кривых течения соответствуют номерам сценариев, по которым в исследовавшихся композициях развивалась пластическая деформация на мезомасштабном уровне. Анализ приведенных кривых показывает, что при минимальной адгезионной прочности покрытия наличие последнего не оказывает значительного влияния на характер кривой течения (кривая 3). При “средней” величине адгезионной прочности предел прочности композиции несколько снижается, равно как и значение ее относительного удлинения (кривая 2). Минимальное значение предела прочности, а также минимальное напряжение течения имеет композиция, обладающая максимальной адгезионной прочностью (кривая 1).
3.1. Сценарий 1
Полученные экспериментальные данные показывают, что развитие деформации начинается с возникновения в покрытии по всей длине рабочей части образца первичных поперечных трещин. Анализ оптических изображений построенных полей векторов смещений показывает, что первичные поперечные трещины в покрытии распространялись от поверхности покрытия по направлению к границе раздела (рис. 2). При этом наблюдался локальный изгиб образца, что и обеспечивало раскрытие берегов трещины. Следует отметить, что в отличие от описанных в литературе случаев первичного растрескивания упрочняющего покрытия, когда за счет несовместности развития пластической деформации в покрытии и в подложке возникновение трещины было вызвано локальным изгибом подложки [12, 13], в данном случае наблюдается локальный изгиб покрытия, что выявляется при анализе полей векторов смещений (рис. 2, б).
В результате развития пластической деформации на стадии первичного когезионного растрескивания по-
| б ^ ;........................^ м ^ Ч ^
Рис. 2. Распространение когезионной трещины от поверхности двухслойного газодинамического покрытия к границе раздела: оптическое изображение (а) и соответствующее поле векторов смещений (б); 8 = 1 %. х 90
P^. 3. Лoкaлизaция плacтичecкoй дeфopмaции в oблacти гpaницы paздeлa, нє coпpoвoждaющaяcя явным oтcлoeниeм пoкpытия: oптичecкoe изoбpaжeниe (а) и cooтвeтcтвyющee шле вeктopoв cмeщeний (б); є = 2.7 %. x 90
^бітиє oкaзывaлocь paздeлeнным нa фpaгмeнты, ^и-чєм cpeднee paccтoяниe мєжду пoпepeчными тpeщинa-ми в пoкpытии xopoшo кoppeлиpoвaлo c eгo тoлщинoй. B то жє вpeмя пo oкoнчaнии пpoцecca пepвичнoгo pac-тpecкивaния то вceй длинє paбoчeй чacти oбpaзцa aдгe-зиoннoe oтcлoeниe cфopмиpoвaвшиxcя фpaгмeнтoв то-кpытия нє нaблюдaлocь. Это пoдтвepждaeтcя xapa^e-poм pacпpeдeлeния вeктopoв cмeщeний, нa кoтopыx вид-то, чтo длинa и нaпpaвлeниe вeктopoв в пoкpытии и пpипoвepxнocтнoм cnoe пoдлoжки oдинaкoвы (pиc. 2, б). Ш^еднее cвидeтeльcтвyeт o нeзнaчитeльнoй poли ^o-цeccoв нa гpaницe paздeлa та дaннoй cтaдии paзвития плacтичecкoй дeфopмaции.
Пocлe oкoнчaния пepвичнoгo кoгeзиoннoгo pacrpec-кивaния гaзoдинaмичecкoгo пoкpытия ocнoвнaя плac-тичecкaя дeфopмaция лoкaлизoвaлacь в oблacти гpaни-цы paздeлa “то^бішє - мaтpицa”. Этo пoдтвepждaeтcя кapтинoй pacпpeдeлeния вeктopoв cмeщeний (pиc. 3, б), та кoтopoй виднo, чтo вeктopa cмeщeний, кaк в caмoм пoкpытии, тaк и в oблacти гpaницы paздeлa имеют paз-личнoe нaпpaвлeниe. B тo же вpeмя, нaличиe paCTpe^ кaвшeгocя пoкpытия cдepживaeт oднopoднoe paзвитиe плacтичecкoй дeфopмaции в мaтpицe в цeлoм. B peзyль-
тaтe дeфopмaциoнный peльeф в пpипoвepxнocтнoм cnoe пpи нeбoльшиx cтeпeняx дeфopмaции является cлaбoвы-paжeнным пo cpaвнeнию c “нижeлeжaщим” мaтepиaлoм пoдлoжки (pиc. 3, а). Paзличиe xapaктepa paзвития raac-тичecкoй дeфopмaции в пpипoвepxнocтнoм cnoe и ниже-лeжaщeм мaтepиaлe ocнoвы тaкжe нaгляднo пpoявля-eтcя и та opra^ pacпpeдeлeния вeктopoв cмeщeний (pnc. 3, б).
Пocлe вoзникнoвeния в пoкpытии cиcтeмы пepвич-ныга пoпepeчныx тpeщин peлaкcaция мeзoкoнцeнтpa-тopoв нaпpяжeний нa гpaницe paздeлa мoжeт ocyщecтв-лятьcя либo путєм pacпpocтpaнeния aдгeзиoнныx тpe-щин (aдгeзиoннoгo oтcлoeния фpaгмeнтa пoкpытия, вызвaннoгo интeнcивным paзвитиeм плacтичecкoй де-фopмaции в oблacти гpaницы paздeлa), либo пocpeдcт-вoм paзвития в пoдлoжкe пoлoc плacтичecкoй дeфopмa-ции, opиeнтиpoвaнныx в нaпpaвлeнии мaкcимaльныx кacaтeльныx нaпpяжeний (pиc. 4). Ш^еднее пpoиcxo-дит в cлyчae, кoгдa вeличинa aдгeзиoннoй пpoчнocти фpaгмeнтa пoкpытия являeтcя дocтaтoчнo выcoкoй. Оле-дУєт oтмeтить, чтo мeзoпoлocы в пoдлoжкe (pиc. 4, б) не имеют xapaктepнoгo видa пoлoc лoкaлизoвaннoй де-фopмaции для мaтepиaлoв c выcoкoпpoчными плacти-
Pиc. 4. Pacпpocтpaнeниe мeзoпoлocы в пoдлoжкe (oбoзнaчeнa cтpeлкoй), coпpoвoждaющee aдгeзиoннoe oтcлoeниe пoкpытия: orn^ecrae изoбpaжeниe (а) и cooтвeтcтвyющee шле вeктopoв cмeщeний (б); є = 3 %. x 90
ЩЩШШ
■/// Т УУ -Л-17/ ’ ■ ■ -^ ........
=Ш.Ч!й$
rzL.iL::
7:1 ЬЕЬ
Рис. 5. Фрагментация покрытия при распространении адгезионной трещины вдоль границы раздела; оптические изображения (а, б) и соответствующие поля векторов смещений (в, г); стрелкой указана мезополоса в подложке; 8 = 4.2 %. х 90
чески недеформируемыми покрытиями [14]. Это, скорее всего, вызвано малой мощностью мезоконцентра-тора напряжений в вершине поперечной трещины. Однако их формирование выявляется и при анализе полей векторов смещений (рис. 4, б).
Повышенная адгезионная прочность препятствует отслоению крупных фрагментов покрытия, сформировавшихся в результате первичного растрескивания. В результате, релаксация мезоконцентратора напряжений на границе раздела может происходить не путем распространения адгезионной трещины, а путем распространения в покрытии вторичных когезионных трещин. Следует отметить, что характерным признаком вторичного растрескивания в исследовавшихся композициях является распространение трещины от границы раздела по направлению к поверхности покрытия (подобно результатам, описанным для газотермических покрытий в [10]). Таким образом, вторичное растрескивание способствует дальнейшей фрагментации покрытия и, тем самым, приводит к процессу адгезионного отслоения мелких фрагментов (рис. 5). Необходимо отметить, что процесс вторичного растрескивания, также как и первичного, вызван несовместностью развития пластической деформации в покрытии и основе: однако в данном случае фрагмент покрытия сдерживает однородное пластическое течение в матрице. В результате локального изгиба последней и возникают вторичные
трещины (рис. 5, в, г). На представленных на рис. 5, в, г полях векторов смещений отчетливо видно, что в процессе распространения адгезионной трещины вдоль границы раздела фрагмент покрытия, заключенный между двумя поперечными трещинами, разбивается на более мелкие.
Важным экспериментальным результатом является установление того факта, что источником мезополос (полос локализованной пластической деформации) в подложке может служить не только поперечная трещина (выступающая в роли поперечного надреза), но также и мезоконцентратор в вершине адгезионной трещины на границе раздела (рис. 5). На рис. 5, б видно, что в основе под еще не растрескавшимся, но отслаивающимся фрагментом покрытия от адгезионной трещины распространяется полоса локализованной пластической деформации (указана стрелкой), выявляемая также при анализе распределения векторов смещений (рис. 5, г).
Достаточно высокая величина адгезионной прочности препятствует отслоению фрагмента покрытия, наличие которого сдерживает однородное развитие пластической деформации в подложке (рис. 6, а). Для преодоления адгезионной связи происходит локальный изгиб образца — эффект макромасштабного уровня, сопровождающийся на мезомасштабном уровне вихревым движением материала. Данный эффект наиболее наглядно проявляется на картинах распределения векторов
....- - Т • w Т VVVVVVVAVVVVVVVS^VVM t V \ V
Hi:
I
ШЩ!:
II1K
,:«l:
Рис. 6. Вихревой характер движения материала при распространении адгезионной трещины вдоль границы раздела: оптическое изображение (а) е соответствующие поля векторов смещений, построенные при последовательном приращении нагрузки (б-г); пунктирной стрелкой обозначено направление вихревого движения материала; 8 = 5.5 %. х 90
смещений (рис. 6, б-г). Следует отметить, что в процессе адгезионного отслоения крупного фрагмента покрытия может также происходить его дополнительное (вторичное) когезионное растрескивание (рис. 6, а).
При увеличении степени деформации сдерживание покрытием однородного развития пластического течения в приповерхностном слое подложки проявляется в виде формирования на границе между приповерхностным слоем и нижележащим материалом матрицы продольных складок протяженностью до нескольких сотен микрон (на рис. 6, а складка обозначена стрелкой). Как правило, такие складки формируются по границам элементов внутренней структуры подложки (зерен), о чем свидетельствуют оптические изображения поверхности боковой грани композиций (рис. 6, а). Однако значительная протяженность таких складок выступает в пользу того, что формирование подобных элементов деформационного рельефа является отражением самосогласованного развития деформации на высоких структурных уровнях (соответствующих мезоскопическому масштабу пластического течения).
Следует отметить, что по окончании первичного растрескивания покрытия процесс адгезионного отслоения становится преобладающим. Причем основным местом зарождения адгезионных трещин являются вершины первичных когезионных трещин в покрытии. В резуль-
тате, даже при наличии в покрытии поперечных первичных трещин (структурных надрезов), развитие деформации происходит не путем развития мезополос в направлении максимальных касательных напряжений, а преимущественно путем ее локализации в области границы раздела. На приведенных на рис. 7 оптических изображениях и полях векторов смещений проиллюстрирована ситуация, когда адгезионные трещины распространяются вдоль границы раздела вправо и влево от поперечной трещины в покрытии. При этом за счет наличия первичной поперечной трещины происходит локальный изгиб образца, определяющий на мезомасштабном уровне вихревой характер движения материала подложки. Развитие последнего приводит к адгезионному отслоению фрагментов покрытия (на рис. 7 показаны стрелками).
3.2. Сценарий 2
Основным условием развития пластической деформации по второму сценарию является меньшая, по сравнению с первым случаем (сценарием), величина адгезионной прочности покрытия. При этом вторичного когезионного растрескивания покрытия не наблюдалось.
Формирование деформационного рельефа в композициях со “средним” уровнем адгезионной прочности
Рис. 7. Вихревой характер движения материала образца при адгезионном отслоении фрагментов покрытия, развивающемся от поперечной трещины: оптическое изображение (а); соответствующие поля векторов смещений (б-г); пунктирной стрелкой обозначено направление вихревого движения материала; 8 = 6 %. х 90
происходило путем его последовательного фронтального распространения от одного из захватов (или от обоих) подобно полосе Людерса (рис. 8). Одновременно с фронтом формирующегося деформационного рельефа вблизи одного (или обоих) галтельных переходов образца “головка - рабочая часть” происходило возникновение поперечной когезионной трещины (трещин) в покрытии (рис. 8, б).
Наличие газодинамического покрытия сдерживало однородное развитие пластической деформации в подложке. В результате в покрытии на расстоянии ~600 мкм от первой трещины возникала еще одна поперечная трещина (рис. 8, в). Следует особо отметить, что расстояние между трещинами определялось толщиной покрытия. Возникновение такой трещины обусловливало возможность отслоения сформировавшегося фрагмента покрытия путем распространения адгезионной трещины вдоль границы раздела “фрагмент - матрица” (рис. 8, г). Следует особо отметить, что возникновению второй трещины в покрытии, а также отслоению фрагмента покрытия предшествовало вихревое движение материала образца, вызванное его локальным изгибом. Затем в покрытии образуется следующая поперечная трещина, обеспечивающая возможность формирования следующего фрагмента покрытия, также завершающегося его отслоением и т. д. Таким образом, все рас-
трескавшееся покрытие оказывается отслоившимся от подложки.
3.3. Сценарий 3
При нагружении образцов с газодинамическими покрытиями с малой адгезионной прочностью распространения полосы Людерса в подложке не наблюдалось. Хотя формирование деформационного рельефа в подложке происходило как фронтально распространяющийся процесс. В результате даже малой локализации пластической деформации в приповерхностном слое подложки, фиксируемой на полях векторов смещений при использовавшихся увеличениях, не наблюдалось. По мере нагружения образца покрытие последовательно отслаивалось от подложки. На картинах распределения векторов смещений это может быть проиллюстрировано в виде последовательного увеличения длины векторов смещений в покрытии по мере увеличения степени деформации (рис. 9). После отслоения покрытия от подложки развитие деформации в последней происходило без каких-либо заметных особенностей.
4. Обсуждение результатов
Характер развития пластической деформации на ме-зомасштабном уровне в композициях, пластическое те-
шшшш
Рис. 8. Отслоение покрытия по схеме “формирование фрагмента между двумя поперечными трещинами в покрытии - его последующее адгезионное отслаивание”: оптическое изображение (а) и соответствующие поля векторов смещений, построенные при последовательном приращении нагрузки (б-г); 8 = 2.5 %. х 90
чение в которых сопровождается отслоением покрытия (в силу малой величины адгезионной прочности), уже исследовали в работе [10] на примере газотермически напыленных упрочняющих покрытий на основе порошков ПГ10Н01 и ПГ19Н01. Композиции имели низкую пластичность и растрескивание покрытий начиналось при уровне приложенного напряжения ~ 100 МПа. В композициях, исследовавшихся в данной работе, пластическая деформация на мезомасштабном уровне развивалась подобно. В то же время, основным достоинст-
вом проведенных исследований является выявление зависимости между характером нарушения сплошности в композиции “покрытие - основа” и величиной адгезионной прочности покрытий. Отметим основные особенности, неописанные в [10] и характерные для композиций подобного типа.
Причиной возникновения и распространения первичной трещины в исследовавшихся газодинамических покрытиях служит локальный изгиб последних (рис. 10). Можно утверждать, что пластическое течение в покры-
Рис. 9. Оптическое изображение (а) и соответствующее поле векторов смещений (б), иллюстрирующие смещение покрытия относительно основы без поперечного растрескивания; 8 = 4 %. х 90
Рис. 10. Схема локального изгиба при образовании первичной когезионной трещины в покрытии: 1 — основа; 2 — двухслойное покрытие; стрелками изображено преимущественное направление векторов смещений
тии начинается раньше, чем в подложке (в качестве материала покрытия служат пластичные алюминий, цинк, медь), в результате чего стальная основа сдерживает однородное развитие пластической деформации в покрытии, приводя к его локальному изгибу (что и проявляется на построенных полях векторов смещений).
На этапе вторичного растрескивания пластическое течение более интенсивно развивается в матрице, и фрагменты растрескавшегося покрытия сдерживают однородное развитие пластического течения в первом. В результате материал основы под фрагментами покрытия начинает испытывать локальный изгиб, что приводит к распространению вторичной трещины от границы раздела по направлению к поверхности покрытия.
Наиболее полно картина развития деформации прослеживается при развитии последней по сценарию 1. При этом можно говорить о том, что образованию не-сплошности по границе раздела (распространению адгезионной трещины) при значительной величине адгезионной связи предшествует локальный изгиб образца. Последний сопровождается развитием вихревого движения материала, что увеличивает мощность концент-
Рис. 11. Схема локального изгиба при возникновении трещины в покрытии (сценарий 2): 1 — основа; 2 — двухслойное покрытие; стрелками изображено преимущественное направление векторов смещений
ратора напряжений, действующего на границе раздела, и обеспечивает отслоение фрагмента покрытия. Таким образом, полученные результаты, а также данные предыдущих исследований материалов с покрытиями [10, 12, 13] позволяют считать, что образованию несплош-ности всегда предшествует вихревой характер развития пластической деформации. Однако при малом уровне адгезионной связи (сценарий 3) размер области с вихревым характером пластического течения чрезвычайно мал и при использовавшихся в работе увеличениях на картинах распределения векторов смещений она не выявлялась.
При развитии пластического течения в исследовавшихся композициях по сценарию 2 величина адгезионной связи была достаточно высока, для того чтобы покрытие просто отслоилось от подложки. В то же время возникновение поперечных трещин в покрытии обеспечивало возможность зарождения и распространения от них адгезионных трещин вдоль границы раздела. Процесс распространения адгезионной трещины интенсифицировался также за счет локального изгиба образца, вследствие сдерживания покрытием однородного развития пластического течения в приповерхностном слое основы. Можно также утверждать, что квазипериодичность растрескивания, четко коррелирующая с толщиной покрытия, прежде всего, определяется локальным изгибом образца при возникновении трещины в покрытии (рис. 11). Последняя, являясь структурным надрезом, приводит к изгибу образца, а возникновение следующей обеспечивает изгиб образца в противоположную сторону, “сохраняя заданную ось нагружения”.
5. Заключение
1. В зависимости от соотношения адгезионной и когезионной прочности газодинамических покрытий можно выделить три основных сценария развития пластической деформации в исследованных композициях:
- Первый вариант заключается в первоначальном когезионном (первичном) растрескивании покрытия, разделении его на фрагменты с последующим развитием локализованной пластической деформации в области границы раздела, завершающихся адгезионным отслоением фрагментов покрытия.
- Вторым сценарием развития пластической деформации в композициях с газодинамическими покрытиями является эстафетное когезионное растрескивание покрытия, сопровождающееся последовательным формированием фрагмента покрытия и его последующим адгезионным отслоением.
- Третьим сценарием развития пластической деформации в исследованных композициях являлось полное адгезионное отслоение покрытия, не оказывающее никакого влияния на подложку.
2. Источником мезополос (полос локализованной пластической деформации) в подложке могут служить не только поперечные трещины в газодинамическом покрытии, выступающие в роли поперечных надрезов, но также и мезоконцентратор в вершине адгезионной трещины на границе раздела.
3. Несовместность развития пластической деформации в покрытии и основе приводит к локальному изгибу образца, выступающего основной причиной возникновения концентратора напряжений на границе раздела. В результате его релаксации происходит распространение поперечной когезионной трещины в покрытии и адгезионной трещины вдоль границы раздела. Вторичное когезионное растрескивание способствует фрагментации покрытия, обусловливая процесс адгезионного отслоения мелких фрагментов.
4. Наличие газодинамического покрытия сдерживает однородное развитие пластической деформации в матрице в целом, в результате чего деформационный рельеф в приповерхностном слое при небольших степенях деформации является слабовыраженным по сравнению с “нижележащим” материалом подложки. При увеличении степени деформации данный эффект проявляется в виде формирования на границе приповерхностного слоя и нижележащего материала основы продольных “складок” протяженностью в несколько сотен микрон.
Благодарности
Работа была выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН 2000-2002 гг. “Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники”, а также в рамках гранта РФФИ № 99-01-00583 “Мезомеханика структурных неустойчивостей и вихревой характер пластического течения в деформируемом твердом теле”, (1999-2001 гг.).
Литература
1. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Экспериментальное исследование процесса напыления // ПМТФ. - 1998. - Т. 39. - № 2. - С. 182-188.
2. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И Газо-
динамическое напыление. Состояние и перспективы // Труды 5 Междунар. конф. “Пленки и покрытия’98”, 23-25 сент. 1998 г. -С.-Петербург. - С. 20-25.
3. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе // ПМТФ. - 2000 (в печати).
4. Алхимов А.П., Гулидов А.И., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Осо-
бенности деформирования микрочастиц при ударе о твердую преграду // ПМТФ. - 2000 (в печати).
5. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Течение в сверхзвуковом
сопле большого удлинения с прямоугольным сечением // Теплофизика и аэромеханика. - 1999. - Т. 6. - № 1. - С. 51-58.
6. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Спесивцев В.П. Установка для напыления на внутреннюю поверхность труб // Труды 5 Междунар. конф. “Пленки и покрытия’98”, 23-25 сент. 1998 г. -С.-Петербург. - С. 117-120.
7. Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F. Investigation of a supersonic
air jet run out from rectangular nozzle // Proc. of 9th Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research, 1998. - Part 3. - P. 41-46.
8. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Натекание сверхзвуковой
струи прямоугольного сечения на плоскую преграду // Теплофизика и аэромеханика. - 2000 (в печати).
9. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Исследование взаимодействия двухфазного потока с нагретой поверхностью // Теплофизика и аэромеханика. - 1998. - Т. 5. - № 1. - С. 67-73.
10. Клименов В.А., Панин С.В., Безбородов В.П. Исследование характера деформации на мезомасштабном уровне и разрушения композиции “газотермическое покрытие - основа” при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 141-156.
11. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
12. 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.
13. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., Почивалов Ю.И., Сизова О.В. Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
14. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностей упрочненных образцов при статическом растяжении // Физика металлов и металловедение. - 1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
