CC BY
48
локальных фазовых превращений с образованием пластин гексагонального є-мартенсита высокой дисперсности (рис. 4).
Рис. 4. Структура продукта износа азотистого покрытия - а и электронограмма - б. Ось зоны аустенита
[111]А||[111]дд|| [001],
Вероятно, фазовые превращения в поверхностном слое азотистого покрытия активно развиваются лишь при достаточно высоких удельных нагрузках.
Сопоставление экспериментальных данных, полученных при исследовании механизмов изнашивания и разрушения поверхностей трения материалов с аусте-нитной структурой и низкой ЭДУ на разных масштабных уровнях, выявило следующее.
1. При трении с высокими удельными нагрузками для азотистого покрытия характерно пластическое оттеснение материала рабочей поверхности, а для стали 110Г13 - усталостный механизм изнашивания.
2. Развитию оттеснения в азотистом покрытии способствует образование гексагонального є-мартен-сита, в то время как в стали 110Г13 при трении скольжения по данным [8] фазовые превращения не идут.
ЛИТЕРАТУРА
1. Наркевич Н.А., Иванова Е.А., Тагильцева Д.Н. Напряженно-деформированное состояние покрытия 60Х24АГ16, полученного электронно-лучевой наплавкой, и его фрикционное упрочнение // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 8. С. 26-31.
2. Наркевич Н.А., Тагильцева Д.Н., Дураков В.Г., Шулепов И.А., Иванова Е.А. Структура и износостойкость электронно-лучевых азотистых покрытий // Трение и износ. 2012. Т. 33. № 5. С. 512520.
3. Шмыков А.А. Справочник термиста. М.: Машгиз, 1961. 392 с.
4. Ригина Л.Г. Исследование и разработка технологии ЭШП и
ЭШПД хромомарганцевых сталей, легированных азотом: автореф. дис. ... канд. тех. наук. М.: ЦНИИТмаш, 2005. 26 с.
5. Бабичев А.П. и др. Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
6. Коршунов Л.Г., Гойхенберг Ю.Н., Черненко Н.Л. Влияние прерывистого распада на трибологические свойства высокоазотистой хромомарганцевой аустенитной стали Г22Х18А0.80 // ФММ. 2000. Т. 90. № 2. С. 107-114.
7. Коршунов Л.Г., Черненко Н.Л., Терещенко Н.А., Уваров А.И. Влияние старения на трибологические и механические свойства азотсодержащей нержавеющей аустенитной стали // ФММ. 2005.
Т. 99. № 1. С. 99-109.
8. Филиппов М.А., Буров С.В., Легчило В.В., Антонов С.В., Мухаме-тярова Е.Н. Использование критерия Б.Н. Хрущова для оценки абразивной стойкости со структурой метастабильного аустенита // Трение, износ и смазка. Т. 13. № 46. URL: http://www.tribo.ru. Загл. с экрана.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Tagiltseva D.N., Narkevich N.A., Shulepov I.A., Voloshin I.V. MULTILAYER APPROACH TO INVESTIGATION OF WEAR, DEFORMATION AND DESTRUCTION MECHANISMS OF WEAR SURFACE OF MATERIALS WITH LOW PACKING DEFECT ENERGY
Structure and specificity of wear surface destruction of steel 1,1C-13Mn and electron-beam nitrogen coating 0,6C-24Cr-1N-16Mn are investigated under high-load abrasive wearing.
Key words: austenite; micro-cutting; plastic edging; fracture strength.
220^ . 12<£ „OlOfc*
УДК 669.245.26
РОЛЬ ПОКРЫТИЙ В ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
© В.П. Безбородов
Ключевые слова: покрытие; напыление; оплавление; свойство; структура; прочность; трещина; разрушение; композиция.
Исследовано влияние структуры и свойств композиций с покрытиями на процессы их деформации и разрушения. Установлено влияние компонентов композиции - покрытия и основы на характер деформации и разрушения. Широкое применение покрытий из никелевых сплавов при восстановлении деталей машин и оборудования требует решения многих вопросов, в т. ч. связанных с определением прочностных свойств композиций. В реальных условиях эксплуатации многие детали машин и оборудования работают, как правило, при совместном нагружении покрытия и основы за счет одновременного действия различных видов нагрузок. Поэтому для предотвращения растрескивания покрытий и предупреждения преждевременного разрушения изделия необходимо знать и учитывать уровень предельных нагрузок, которые может выдержать композиция с покрытием.
Цель работы - исследовать влияние нанесенных Методика исследования. Влияние деформации на
покрытий на процессы деформации и разрушения ком- свойства и структуру композиций изучалось с помо-
позиций «покрытие - основа». щью диаграмм растяжения образцов, по характеру их
1841
излома и изменениям структуры материалов поверхностей боковых граней этих образцов, наблюдаемым в процессе нагружения с использованием оптического микроскопа и видеокамеры, а также после испытаний. Для проведения механических (прочностных) испытаний композиций с покрытиями использовались изготовленные из углеродистых и легированных сталей образцы цилиндрической формы и в виде двухсторонних плоских лопаток. Нанесение покрытий толщиной до нескольких миллиметров из порошковых материалов производилось при вращении образцов вокруг продольной оси. Механические испытания композиций с покрытиями проводились по ГОСТ 6996-66 при одноосном статическом нагружении растяжением на установках типов S^nk Sinus 100.40 и ИМАШ 20-78 с записью кривых нагружения. Характер деформации образцов изучался на их боковой грани с помощью оптического микроскопа. Испытания прочности сцепления проводились двумя методами - на срез и отрыв. Оценка механической прочности покрытий основывалась на растяжении покрытия, нанесенного на разъемное приспособление, нагрузкой, приложенной вдоль покрытия.
Результаты эксперимента. Проведенные в работе прочностные испытания композиций с напыленными традиционным способом покрытиями свидетельствуют об их слабой адгезионной связи с основой и наличии на границе раздела расслоений и других дефектов. Такие композиции характеризуются резким изменением значений микротвердости на графиках их распределения, связанным с сильно выраженным отличием свойств покрытия и основы, а также большим разбросом значений твердости вследствие высокой гетерогенности покрытий. Характер распределения значений микротвердости в зоне соединения покрытия с основой отражает изменение их свойств. В композициях с напыленными покрытиями это изменение носит скачкообразный характер в случае использования традиционного способа нанесения, и наблюдается сглаживание такого скачка после упрочнения основы. В композициях с оплавленным покрытием всегда наблюдается ступенчатое распределение значений микротвердости вследствие образования мягкой прослойки в покрытии и структурных изменений в основе.
Поведение композиции с покрытием при нагружении растяжением обусловлено, в основном, свойствами ее составляющих. Определяющую роль в протекании процессов деформации и разрушения композиций как с напыленными, так и оплавленными покрытиями выполняет основа, имеющая существенно более высокие (в 2-5 раз) прочностные характеристики [1, 2]. Показатели прочности композиций с напыленными и оплавленными покрытиями, полученные на образцах и представленные на рис. 1, и характер их разрушения зависят, в первую очередь, от прочностных и пластических свойств материалов основы, а также от соотношения площадей поперечного сечения покрытия и основы.
С увеличением доли покрытия прочность композиции, соответственно, снижается. Разрушение (растрескиванием) напыленных покрытий начинается в области упругой деформации основы и завершается образованием магистральных трещин при напряжениях, близких к пределу текучести основы. Повышение прочности напыленных покрытий сопровождается незначительным ростом прочностных характеристик композиций. При повышении прочности основы наблюдается
пропорциональная зависимость. Часто происходит отслоение покрытия в области формирования шейки и магистральной трещины в основе. Формы кривых течения образцов из композиций, состоящих из различных сталей с напыленными покрытиями, аналогичны кривым течения образцов из сталей без покрытия. Использование наклепа поверхности основы, применяемого перед напылением покрытий, повышает прочностные характеристики основы. Формирование шейки у композиций с напыленными покрытиями происходит в материале основы при полном разрушении или отслоении покрытий на данном участке независимо от формы образца: цилиндрической или в виде плоской лопатки. На начальных участках кривых течения композиций с оплавленными покрытиями (<стт) имеется пилообразный участок скачкообразного изменения приложенного напряжения, возникающий при образовании поперечных трещин в покрытиях и резкого уменьшения площадей поперечного сечения образца в зонах расположения этих трещин (рис. 2).
МПа
200
1 50
1 00
50
2
ч
\
0.5 1,0
1,5 2,0
2,5
5. мм
Рис. 1. Зависимость прочности покрытий ПТ-19Н-01 от их толщины: 1 - напыленное, 2 - оплавленное
Рис. 2. Растрескивание оплавленного покрытия ПГ-10Н-01 при нагружении композиции растяжением: а) поперечное и б) продольное сечения
Более высокая (относительно напыленных) прочность композиций с оплавленными покрытиями объясняется как большей прочностью самих покрытий, так и структурными превращениями в основе при формиро-
1842
вании композиций. При испытаниях композиций разрушение оплавленных покрытий из №-Сг-В-81 - сплавов характеризуется их фрагментацией путем распространения поперечных трещин расположенных преимущественно нормально направлению нагрузки, приложенной при растяжении. У композиций с оплавленными покрытиями из №-В-Б1 - сплавов формирование шейки происходит также путем утонения материала основы, но часто при сохранении прочного соединения с покрытием. Разрушение покрытия в этом случае происходит с образованием в нем только одной поперечной трещины в области формирования в основе шейки и магистральной трещины. Образование поперечных трещин в оплавленных хромосодержащих покрытиях происходит, как правило, на всей рабочей части образцов. Период поперечного растрескивания напыленных покрытий на фрагменты фактически не связан с толщиной покрытий и зависит от величины относительного удлинения основы. С его увеличением уменьшается ширина фрагментов растрескивания покрытий. Зарождение трещин в оплавленных покрытиях, обладающих высокой прочностью материала и соединения с основой, чаще всего происходит на границе раздела с основой, где повышена концентрация структурных дефектов (пор, несплавлений и т. д.), являющихся концентраторами напряжений, возникающих вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения, а также большой разности коэффициентов линейного расширения компонентов композиции. Как правило, зарождение трещин происходит в покрытии на границе с более пластичной белой прослойкой из у-твердого раствора на основе никеля. В процессе растяжения образца развитие зародившихся у основы трещин происходит в объеме покрытия преимущественно по траектории, близкой к нормальной поверхности основы по всей толщине покрытия с выходом на свободную поверхность покрытия за исключением случаев встречи дефектов на пути движения. Образование трещины в прослойке покрытия происходит на более поздней стадии нагружения в области истока трещины в покрытии. При смешанном когезионно-адгезионном разрушении оплавленных покрытий процесс, как правило, протекает транскристаллитно. Чаще всего зарождение и развитие трещин происходит в у-твердом растворе на основе никеля. При достижении на пути развития трещины колоний эвтектики у-№+№3В или сплава у-№+Сг23С6 происходит изменение направления трещины - вдоль границы с ними, или она идет по эвтектике и сплаву, которые почти в два раза прочнее у-твердого раствора. Поэтому наиболее сильно подвергаются пластическому течению зерна у-твердого раствора. Излом покрытий после испытаний имеет характерную для хрупкого транскристаллитного разрушения поверхность с обра-
зованием острых гребней отрыва после малых пластических деформаций.
ВЫВОДЫ
1. Прочность композиций с напыленными покрытиями и характер их разрушения при растяжении зависят от свойств материалов основы и покрытия, и соотношения площадей их поперечного сечения. Определяющую роль в обеспечении прочности композиций, протекании процессов их деформации и разрушения выполняет материал основы. При увеличении толщины покрытий их прочность снижается. Разрушение покрытий начинается в области упругой деформации основы и завершается образованием магистральных трещин при напряжениях, близких к пределу текучести основы.
2. Разрушение напыленных и оплавленных покрытий из Ni-Cr-B-Si-сплавов при нагружении композиции растяжением характеризуется их фрагментацией, распространением поперечных трещин на всей рабочей части образца. Период растрескивания напыленных покрытий на фрагменты увеличивается с ростом величины относительного удлинения основы и не связан с толщиной покрытий. В оплавленных покрытиях зарождение трещин начинается на границе с приграничной прослойкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Борисов Ю.С., Борисова А.Л. Плазменные порошковые покрытия. Киев: Техника, 1986. 222 с.
2. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с яп. В.Н. Попова; под ред. В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Bezborodov V.P. ROLE OF COATINGS IN DEFORMATION AND FRACTURE OF COMPOSITE MATERIALS
The influence of the structure and properties of the compositions with covers on the processes of deformation and fracture is studied. The influence of the components of the composition -coating and base character on deformation and fracture are stated. Wide application of coatings of nickel alloys in the recovery of machine parts and equipment requires the solution of many issues, including related to the determination of the strength properties of the compositions. In actual use conditions many parts of machinery and equipment work usually when loading the joint coating and base due to the simultaneous action of different types of loads. Therefore, to prevent cracking of the coating and prevent premature deterioration of the product it is necessary to know and consider the level of the limit loads, which can withstand the composition is coated.
Key words: coating; sputtering; melting; property; structure; strength; fracture; composition.
1843
