Нелинейные волновые процессы при множественном растрескивании поверхностно упрочненных слоев и покрытий в деформируемом твердом теле Текст научной статьи по специальности «Физика»

Нелинейные волновые процессы при множественном растрескивании поверхностно упрочненных слоев и покрытий в деформируемом твердом теле

С.В. Панин, Р.В. Гольдштейн1, Л.С. Деревягина, Н.А. Антипина

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт проблем механики РАН, Москва, 119526, Россия

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь - покрытие».

Nonlinear wave processes under multiple cracking of surface-hardened layers and

coatings in a deformed solid

S.V Panin, R.V. Goldstein1, L.S. Derevyagina, and N.A. Antipina

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, 119526, Russia

The wave character of multiple cracking of the coating is revealed under tension of steels with coatings. Depending on the thickness-to-microhardness ratio of the substrate and coating one can observe such nonlinear wave processes as switch and population waves. Using the television-optical measuring complex it is shown that localized deformation zones induced by propagating cracks govern the nonuniform character of deformation and fracture of the studied “steel - coating” compositions.

Улучшения функциональных характеристик многих изделий и деталей, подвергаемых различным видам механического или химического воздействия, можно достичь изменением свойств их поверхностных слоев. Для успешного использования материалов с упрочненным слоем или покрытием необходимо всестороннее изучение их механических свойств, характера пластической деформации и разрушения.

В настоящей работе обобщается экспериментальный материал, в котором исследованы закономерности пластической деформации при растяжении материалов с наплавленным слоем, упрочняющим покрытием или упрочненным поверхностным слоем, изготовленными в ходе различных физико-химических воздействий.

При нагружении таких материалов происходит растрескивание слоев или покрытий, что влечет за собой неоднородный характер пластического течения композита «основа - покрытие» и снижение его механических свойств. Механизм растрескивания зависит от соотношения механических характеристик, толщины основы и покрытия, геометрии границы раздела и описывается как нелинейный волновой процесс. В зависимости от

соотношения выше упомянутых факторов в деформируемом твердом теле могут наблюдаться проявления таких нелинейных волновых процессов, как волны переключения, волны заселения.

Проявление волн переключения наблюдается на примере деформации системы «малоуглеродистая сталь марки Ст3 - покрытие №СгВ$Ь>. Известно, что малоуглеродистая сталь деформируется фронтом Чернова-Людерса, поэтому в плоских образцах малоуглеродистой стали с наплавленным с одной лицевой стороны малодеформируемым NiCrBSi-покрытием при растяжении в подложке наблюдается распространение полосы Чернова-Людерса. Это вызывает дополнительное локальное нагружение покрытия. Вследствие малодефор-мируемости в покрытии возникают встречные упругие напряжения (как реакция опоры), которые останавливают фронт Чернова-Людерса в локальной зоне около границы раздела (на рис. 1, а показана овалом). В соответствии с теорией Ю.В. Гриняева [1] в данной зоне возникает концентратор напряжений аномально высокого уровня, который генерирует в подложке «мезовихрь» встречного направления (рис. 1, г).

© Панин C.B., Гольдштейн P.B., Деревягина Л.С, Днтинина. H.A., 2005

Его суперпозиция с первичными сдвигами на фронте полосы Чернова-Людерса формирует в подложке два потока сдвигов по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений ттах (на рис. 1, в они показаны стрелками). Значительная неоднородность развития деформации в данной области обусловливает образование в покрытии трещины нормального отрыва (рис. 1, б), которая зарождается на границе раздела и постепенно распространяется по направлению к поверхности покрытия (рис. 2).

На рис. 2, а, б приведены изображения боковой поверхности образца с №СгВ8ьпокрытием при возникновении трещины. Видно, что развитие в подложке зоны локализованной пластической деформации носит аккомодационный характер и приводит к снижению мощности макроконцентратора напряжений в рассматриваемой области. Эффективная интенсивность деформации

при раскрытии трещины уменьшается с уmax ~ 1.6 • 10 (рис. 2, в) до Ymax “ 7 •10-4 (рис. 2, г).

В процессе распространения в подложке полосы Чернова-Людерса образец периодически испытывает локальные изгибы противоположного знака: за время, пока покрытие блокирует развитие первичных сдвигов в подложке, образец изгибается в направлении покрытия; сразу после образования трещины образец изгибается в противоположную сторону. При этом полоса Чернова-Людерса скачком распространяется на расстояние, равное пространственному периоду растрескивания покрытия. В синергетике подобный процесс классифицируется как нелинейная волна переключения.

При игольчатой геометрии границы раздела «основа - покрытие», получаемой, например, в ходе поверхностного диффузионного борирования, можно наблюдать волны заселения. На интерфейсе формируются рас-

Рис. 1. Оптические изображения (а, б) и поля векторов перемещений (в, г) в образце с электронно-лучевым наплавленным покрытием (покрытие сверху) перед возникновением (а, в, г) и после образования трещины (б); 8 = 4.5 %; Дг = 0.3 %. Размер изображений 1 685x1260 мкм2

тШ1Ш

Интенсивность деформации 600

; 400

200

Главный пластический сдвиг 600

м400

200

ПЛ

200 400 600 800 0 200 400 600 800

X, мкм X, мкм

Рис. 2. Развитие поперечной трещины от границы раздела «покрытие-подложка» (покрытие снизу); 8 = 8 (а); 8.1 (б, г); 8.05 % (в). Размер изображений 840x630 мкм2

Рис. 3. Композиция сталь Ст3 с боридным слоем: схема игольчатой границы раздела с перлитным подслоем (а); h = 40 (б); 100 мкм (в). Размер изображений: 480x360 (б); 320x240 мкм2 (в)

пределенные мезоконцентраторы напряжений, которые обусловливают развитие сдвигов в подложке по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 3, б). Это сопровождается развитием в покрытии трещин продольного сдвига. Подобный характер множественного растрескивания приводит к возрастанию как прочности, так и пластичности материала. Развитие поперечных трещин в покрытии всегда сопровождается снижением пластичности материала.

На рис. 3, а приведена схема распределенных мезо-концентраторов напряжений в борированном поверхностном слое на лицевых гранях плоского образца малоуглеродистой стали марки Ст3. Система мезоконцент-раторов напряжений (А-А-А) при растяжении бори-рованного образца обеспечивает развитие в упрочненном поверхностном слое трещины продольного сдвига по сопряженным направлениям ттах (рис. 3, б). Как следствие, боридный упрочняющий слой, содержащий сетку мелких ориентированных трещин продольного сдвига, равномерно распределенных по длине рабочей части образца, обеспечивает квазиоднородное деформирование образца. Это приводит к повышению как прочности, так и пластичности поверхностно упрочненного образца при его растяжении (рис. 4, кривая 2). Природа наблюдаемого эффекта связана с распространением в деформируемом образце волн заселения.

В образцах малоуглеродистой стали с боридным слоем толщиной более 80 мкм наблюдается квазиперио-дическое пространственное распределение прямых поперечных трещин (рис. 3, в). При этом пластичность образцов монотонно снижается по мере увеличения толщины поверхностного упрочненного слоя (рис. 4, кривая 5). Формирование в поверхностном слое квазипе-риодических поперечных трещин нормального отрыва связано с распространением в деформируемом образце волн переключения.

Удобным материалом для анализа волновых процессов множественного растрескивания покрытий являются стали типа 65X13 или сталь перлитного класса 12Х1МФ теплотехнического назначения. В зависимости от времени азотирования, а также от способа азотирования (лицевых или боковых граней плоских образцов) в них может быть реализовано разное отношение толщин азотированного покрытия к основе.

Если ^ок/^сн < 0.01, то возникает множественное растрескивание по типу волн заселения. Зоны локализации деформации, инициированные образующимися по мере роста деформации трещинами в покрытии, малы по величине. Даже на стадии предразрушения наблюдается взаимодействие зон от соседних трещин, расположенных вдоль одной грани образца. Поскольку зоны локализованной деформации сосредоточены вдоль азотированных граней и не распространяются через все поперечное сечение образца, характер его разрушения не отличается от неазотированного образца.

Для образцов с ^ок/^сн < 0.05 расстояние между трещинами возрастает. При малой степени деформации неоднородный характер пластического течения похож на характер образцов с ^ок /^сн < 0.01. Однако по мере роста степени общей деформации наблюдается взаимодействие зон макролокализации деформации от трещин, расположенных на противоположных гранях образца. Формирующаяся в итоге этого процесса полоса локализованного сдвига проходит по всему поперечному сечению. Разрушение такого образца происходит сдвигом вдоль данной макрополосы. На рис. 5 приведены металлографические картины образца стали 12Х1МФ с азотированным слоем, поля компонент векторов смещений и рассчитанные по ним картины распределения интенсивности скорости деформации для описанного выше случая.

Наконец, для случая ^ок/^сн > 0.1 периодическое растрескивание упрочненного слоя происходит путем последовательного развития полос локализованной деформации, проходящих через все сечение основного материала, т.е. реализуется волна переключения. После

а, МПа

100 \____т............................^

0 10 20 30 5,%

Рис. 4. Диаграммы «напряжение - деформация» образцов Ст3 с боридным покрытием различной толщины и подслоем: без покрытия (1); покрытие h = 40 (2); 100 мкм (5)

> 5

0.002400 0.002150 0.001900 0.001650 0.001400 0.001150 0.000900 0.000650 ■ 0.000400

ИИГ5, х 10 15 о

Рис. 5. Металлографические картины (а, е), поля продольных (б, ж) и поперечных (в, з) компонент векторов смещений и картины распределения интенсивности скорости деформации (г, д, и, к), для образцов поверхностно упрочненной стали 12Х1МФ с соотношением 0.01 < Нпок/Носн < 0.05: а-д — Тотж = 910 °С, г - 13+13.65 %; е-к — Тотж = 910 °С, г - 15.5+15.85 %

того как волна переключения пройдет по всему образцу, начинается стадия крайне неоднородного пластического течения образца (рис. 6). Разрушение образца с толстым азотированным слоем подобно разрушению на единичном концентраторе, т.е. нормальным отрывом.

Обнаруженные в данной работе эффекты различного влияния множественного растрескивания упрочненных поверхностных слоев (покрытий) на механические свойства могут быть объяснены только с учетом много-уровневости деформируемого материала и определяю-

щей роли интерфейса «упрочненный поверхностный слой (покрытие) - подложка».

Работа выполнена в рамках проекта 3 программы 3.11 фундаментальных исследований ЭММПУ РАН.

Литература

1. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упруго-нагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - 1978. - № 2. -С. 95-101.