CC BY
33
УДК 537.525.7:621.762
В. И. Христолюбова, А. А. Рушинцев
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ТВЁРДЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ
Ключевые слова: модуль упругости, твердость, атомно-силовая микроскопия.
Получено диффузионное покрытие на поверхности быстрорежущей стали с помощью высокочастотного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием. В результате формирования диффузионного слоя на поверхности металлов установлено уменьшение шероховатости и повышение коррозионной стойкости материала, твердости, модуля упругости, трещинностойкости.
Keywords: Young modulus, hardness, atomic force microscopy.
A diffusion coating on the surface of high-speed steel with the help of high-frequency discharge of low pressure due to its interaction with the workpiece was formed. As a result of forming of diffusive layers on the surface of the metal decreasing of roughness and increasing of corrosion resistance, hardness, Young modulus of metals was produced.
Одним из важнейших эксплуатационных свойств материала определяющих стойкость к износу, хрупкому разрушению является трещиностойкость. Разработано множество способов характеризации стойкости к образованию трещин и разрушению покрытия. В качестве меры сопротивления хрупкому разрушению часто используют критический коэффициент интенсивности напряжения KC («вязкость разрушения» (ВР) — fracture toughness) [1].
ВР является одним из важнейших параметров покрытия, определяющих его износостойкость. Довольно распространённым способом изучения хрупкости является разрушение материала при вдавливании твёрдого наконечника (сферического или пирамидального), которое может вызвать появление трещин нескольких разновидностей. Существует свыше 30 формул, связывающих KC с величиной нагрузки и длиной образовавшихся трещин. Наиболее активно в последнее время развиваются методы определения KC для тонких покрытий [2].
В работе проводилось исследование DLC покрытия толщиной 180 нм, полученного воздействием ВЧ разрядами пониженного давления [3-6].
При вдавливании индентора на небольшую глубину образуются радиальные или полудисковые (полупенсовые) трещины вдоль ребер индентора (табл. 1, формулы №1-4). При увеличении нагрузки покрытие отслаивается от подложки, и образуются канальные трещины, приводящие к разрушению подложки с её отрывом (табл. 1 формулы №5,6). При отслоении покрытия, в расчёте трещиностойкости используется энергия отрыва, необходимая для образование кольцевой трещины, рассчитанная из кривой нагрузка- разгрузка (рисунок 1 а, б) [102]. Трещиностойкость материала можно определить при царапании. Пороговая ширина царапины, при достижении которой характер разрушения материала меняется с пластического на хрупкое, зависит от KC (табл.1, формула №7).
Измерения вязкости разрушения проводились с применением пирамидальных алмазных инденторов типа угол куба. Вдавливание проводилось с нагрузками до 300 мН (различные нагрузки
прикладывались для достижения различного типа разрушения покрытия).
Расчет KC приведен в таблице 1. Измерения показывают большой разброс значений, обусловленный случайным характером разрушения. Поэтому методы определения KC требуют набора статистических данных. Определение KC по радиальным и полупенсовым трещинам возможно при условии, что их длина меньше, чем толщина покрытия. Короткие трещины могут быть получены при использовании острых инденторов, которые позволяют создать трещину при его внедрении в материал на небольшую глубину. Использование острых инденторов при проведении испытаний сверхтвердых (И > 20 ГПа) материалов требует постоянного контроля формы острия, из-за высокой вероятности его разрушения. Определение трещиностойкости по канальным трещинам нуждается в точном определении толщины покрытия. При откалывании покрытия по кольцевой трещине необходимо измерение толщины покрытия и вычисления энергии образования скола, которая получается из кривой нагрузка-разгрузка.
с.
А /\ 1 / / 1
/ V 2
El D
б)
Перемешtun&
Рис. 1 — а) Кривые нагрузка-разгрузка для DLC-покрытия, максимальная нагрузка 50, 100, 150, 200 мН, б) расчет энергии, высвобождающейся при отслоении плёнки, в) схема разрушения покрытия
Таблица 1 — Модели хрупкого разрушения и измерение трещиностойкости покрытия
А — коэффициент, зависящий от формы индентора, Е — модуль упругости, Н — твёрдость, Р — нагрузка, с — длина трещины от центра отпечатка, 1 — длина трещины от края отпечатка, а — размер отпечатка от центра до угла; ЦТ — энергия, высвобожденная при отслоении плёнки, С_Я — радиус отслоившейся области, 1' — толщина покрытия, — коэффициент Пуассона, 8 — ширина царапины, в — половинный угол при вершине индентора.
Измерена трещиностойкость твёрдых
алмазоподобных покрытий инструментальных сталей. Проведено сравнение различных режимов измерения трещиностойкости. Даны рекомендации по выбору режимов измерений трещиностойкости на
тонких алмазоподобных покрытиях. Показано, что определение вязкости разрушения тонкого покрытия по радиальным и полупенсовым трещинам возможно при условии, что их длина меньше, чем толщина покрытия. Короткие трещины могут быть получены при использовании острых инденторов. Использование острых алмазных инденторов при проведении испытаний сверхтвердых материалов требует частого контроля формы острия. При определении трещиностойкости по канальным трещинам необходимо измерение толщины покрытия и вычисление энергии образования скола из кривой нагрузка-перемещение.
Литература
1. Michel M.D. et al. Fracture toughness, hardness and elastic modulus of hydrogenated amorphous carbon films deposited by chemical vapor deposition // Thin Solid Films. 2006. Vol. 496, № 2. P. 481-488.
2. JUNGK J. et al. Indentation fracture toughness and acoustic energy release in tetrahedral amorphous carbon diamond-like thin films // Acta Mater. 2006. Vol. 54, № 15. P. 4043-4052.
3. Khristoliubova V. / V. Khristoliubova, I. Abdullin, A. Khubatkhuzin // Вестн. Каз. Технологического Университета. - 2015. - Т. 18; №8. - С. 191-193.
4.Христолюбова В. И. / В. И. Христолюбова // Вестн. Каз. Технологического Университета. - 2014. - Т. 18; №12. - С. 114-117.
5. Хубатхузин А. А. / А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, И. Г. Гафаров, В. И. Христолюбова // Энергосбережение и водоподготовка. - 2015. - № 1(9) - С. 37-41.
№ Формула Тип трещин КС, МПа-м1'2
1 радиальные, полупенсовые 4,8
2 полупенсовые 4,3
3 радиальные 3,0
4 ^rsfi полупенсовые 4,8
5 AtE\1/3 P канальные 5,2
6 1 Of E jbEC&'.-V* любые 4,6
7 к 11 F e tarvSWtt3 любые 6,9
© В. И. Христолюбова - аспирант кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, valllerrriya@mail.ru; А. А. Рушинцев - магистр кафедры Конструирования Одежды и Обуви, КНИТУ, valllerrriya@mail.ru.
© V. 1 Khristoliubova - Ph.D. student, Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, valllerrriya@mail.ru; A. А. Rushintsev - master of Garment and Footwear Design Department, Kazan National Research Technological University, valllerrriya@mail.ru.
