CC BY
43
Влияние обработки ультразвуком в процессе оплавления газотермических покрытий на характер деформирования и разрушения композиций «покрытие - основа» при трехточечном изгибе
C.B. Панин, В.А. Клнменов, М.П. Сейфуллина1, Ю.И. Почивалов, Б.Б. Овечкин1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
С использованием комплекса TOMSC в работе исследовали закономерности развития локализованной пластической деформации при трехточечном изгибе образцов малоуглеродистой стали с газотермическим покрытием, оплавленным в условиях подвода мощных ультразвуковых колебаний и без такового. Показано, что при приложении нагрузки со стороны подложки пластичность оплавленного с приложением ультразвука покрытия повышается примерно в два раза, что сопровождается увеличением предела прочности примерно на 200 МПа. Данный результат связан со значительным снижением роли локализации деформации при растрескивании покрытия, в связи с тем что оплавленные в условиях подвода ультразвуковых колебаний покрытия растрескиваются, образуя мелкие фрагменты. Это вызвано диспергированием макроконцентраторов напряжений на захватах вследствие возникновения большого количества менее мощных мезоконцентраторов на локальных затеканиях материала покрытия в подложку.
1. Введение
Использование оптико-телевизионного метода открывает широкие перспективы создания экспресс-метода оценки прочностных свойств композиций «покрытие - основа» при испытании тестовых образцов по схеме трехточечного изгиба. Сопоставление данных оптико-телевизионных наблюдений с характерными участками кривой «напряжение - деформация» и соответственно численными значениями внешнего напряжения (в том числе в процессе растрескивания покрытия) должно позволить экспериментально отрабатывать и оптимизировать режимы нанесения покрытия, а также варьировать различные геометрические и структурные факторы (толщину покрытия, геометрию границы раздела, наличие и толщину переходных слоев и т.п.).
Эффективным средством воздействия на формирование металлов при их кристаллизации из расплава является использование ультразвуковых колебаний. При ультразвуковой обработке расплава возникают акустические потоки, давление и другие эффекты, вызывающие перемешивание, интенсификацию диффузии, теп-
ло- и массопереноса, диспергирование кристаллов, активацию примесей, увеличение скорости зарождения кристаллов и измельчение зерна. Проведенные в работе [1] исследования показали, что на формирование структуры покрытий при газотермическом напылении сильное влияние могут также оказывать ультразвуковые колебания. Поэтому использование ультразвуковой обработки при оплавлении газотермических покрытий представляет большой интерес.
Исследование поведения при сжатии образцов малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в условиях приложения мощных ультразвуковых колебаний, проведенное в работе [2], позволило установить, что в результате использования ультразвуковой обработки при оплавлении нанесенного покрытия наблюдаются три основных эффекта:
1) структура покрытия становится дисперсной и однородной, что в целом улучшает прочностные свойства покрытия и композиции;
2) на границе раздела «покрытие - основа» расширяется диффузионная зона и тем самым сглаживается
© Панин C.B., Клименов В.А., Сейфуллина М.П., Почивалов Ю.И., Овечкин Б.Б., 2004
резкое изменение физико-механических свойств при переходе от покрытия к подложке;
3) образование локальных «затеканий» материала покрытия в основу по границам первичных аустенитных зерен приводит к повышению адгезии, а также обеспечивает диспергирование макроконцентратора напряжений на захватах за счет создания большего количества локальных мезоконцентраторов напряжений.
Подобие механизмов пластической деформации в покрытии и подложке при нагружении сжатием обусловило в качестве основного механизма деформации на мезоуровне всей композиции формирование мезополос локализованной деформации в обоих компонентах с последующим зарождением и ростом трещины от границы раздела. В композициях с неоплавленными газотермическими напыленными покрытиями (вследствие наличия остаточной пористости) механизмы пластической деформации отличаются: развитие деформации во всей композиции имеет вихревой характер, что сопровождается формированием магистральной трещины по адгезионно-когезионному механизму и характеризуется высокой скоростью ее распространения [3].
Оплавление напыленных покрытий, совмещенное с ультразвуковой обработкой, за счет интенсификации процессов перемешивания и создания локальных «затеканий» позволяет создать композиции, обладающие свойствами, подобными свойствам электронно-лучевых покрытий (имеющих градиентное строение) [4] и бо-ридных упрочняющих слоев (имеющих игольчатую структуру) [5]. Формирование такой структуры не приводило к значительному изменению формы кривой течения при сжатии, однако, должно значительно повышать механические характеристики при статическом растяжении, трехточечном изгибе и, особенно, усталостную прочность.
В настоящей работе исследовали закономерности развития локализованной пластической деформации при трехточечном изгибе образцов малоуглеродистой стали с газотермическим покрытием, оплавленным в условиях подвода мощных ультразвуковых колебаний и без такового. Ожидалось, что используемая схема на-гружения позволит в явном виде проследить различия между механическими свойствами и характером растрескивания двух типов покрытий.
2. Материал и методика исследований
Образцы для испытаний на трехточечный изгиб изготавливали в форме плоских пластин размером 20x10x3 мм методом электроискровой резки. Испытания на трехточечный изгиб с автоматической записью кривых нагружения проводили на установке ИМАШ-2078 со скоростью 0.03 мм/мин. Для нагружения образца использовали устройство, преобразующее растягивающие усилия в изгибающие.
Рис. 1. Схема балки с приложенной в центре нагрузкой
Развитие деформационного рельефа поверхности образцов при различных степенях деформации наблюдали с помощью оптической микроскопии. Исследование процессов пластической деформации на мезомасш-табном уровне проводили с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC [6]. Для установления взаимосвязи между прочностными свойствами и структурой переходной зоны ««покрытие -основа» оплавленных с ультразвуковой обработкой и без нее композиций были измерены значения микротвердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на пирамидку 1 Н.
Схема трехточечного изгиба, а также обозначения, используемые при пересчете полученных диаграмм на-гружения в кривые течения а-е, приведены на рис. 1.
В качестве основы для проведения пересчета диаграмм нагружения в кривые течения использовали выкладки, изложенные в [7]. Выражение для расчета максимального нормального напряжения имеет следующий вид:
а.
Pl
bhz
> \-1
3 _p]_ 2 bh 2
(1)
где Р — сила, приложенная в центре балки; I — расстояние между опорами; Ь, h — ширина и толщина балки соответственно.
Формулу для расчета относительной деформации получаем из выражения для расчета стрелы прогиба f:
6fh i2 ■
(2)
Для нанесения покрытий и последующего изготовления образцов использовали цилиндрические заготовки из стали Ст3 диаметром 20 мм. Напыление с последующим оплавлением проводилось порошком ПГ-12Н-02 с использованием горелки ГН-2. Подведение ультразвуковых колебаний осуществлялось с торца цилиндрического образца установкой УЗГ-2-4М [2]. Там же было показано, что использование ультразвуковой обработки при оплавлении покрытий сопровождается рядом структурных изменений. Снижается количество образующихся крупных зерен; микротвердость материала на поверхности покрытия снижается на ~200 МПа. При увеличении времени воздействия ультразвука по границам
F
Относительная деформация в,%
го п. ^ 800 -^^ 1 \ б
6 к s X CD т CD H - / 2 / 4
CD S 1 К 600
Q. С f
X 400 i , i , i i
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Относительная деформация в,%
Рис. 2. Кривые течения композиций «покрытие - основа» с ультразвуковой обработкой (1) и без ультразвуковой обработки (2) при приложении нагрузки со стороны покрытия (а) и со стороны подложки (б)
первичных аустенитных зерен происходит диффузия — «затекание» материала покрытия в основу. Более подробно эти результаты описаны в работе [8].
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
3.1. Макрокартина деформации
На рис. 2 приведены кривые «напряжение - деформация» для композиций «оплавленное покрытие - основа» при приложении нагрузки по двум схемам: со стороны покрытия и со стороны подложки.
Отличие формы кривых течения при испытаниях по обеим схемам нагружения связано со следующими факторами. При приложении нагрузки со стороны подложки максимальные растягивающие напряжения действуют на поверхности покрытия. Несмотря на то, что последнее имеет структуру и свойства, близкие к таковым для «литого» материала (что происходит в результате оплавления), наличие остаточной пористости и охруп-чивание за счет наличия частиц окислов снижают пластичность покрытия по сравнению с материалом подложки (рис. 2, б). В случае нагружения композиции со
стороны покрытия и возникновения максимальных растягивающих напряжений на «свободной» поверхности подложки, предел текучести композиции превышает таковой для другой схемы нагружения на ~ 150 МПа (рис. 2, а).
При приложении нагрузки со стороны подложки, независимо от факта проведения ультразвуковой обработки покрытия, пластическая деформация первоначально развивается именно в покрытии. Напряжение, соответствующее началу пластического течения при нагру-жении по данной схеме, составляет для каждой композиции а0 2 ~ 460 МПа (рис. 2, б). При последующем на-гружении выявляются два характерных факта:
1) предел прочности композиции без ультразвуковой обработки на ~200 МПа меньше такового для покрытия, оплавленного с ультразвуковой обработкой;
2) растрескивание покрытия в композиции без ультразвуковой обработки покрытия снижает пластичность образца примерно в два раза по сравнению с композицией с оплавленным с ультразвуковой обработкой покрытием (е ^ 0.5 и 1 % соответственно, рис. 2, б).
Отчасти причина различия кривых «напряжение -деформация», представленных на рис. 2, б, становится понятной при анализе РЭМ-изображений покрытий,
Рис. 3. РЭМ-изображения растрескавшихся газотермических покрытий не подвергнутых (а) и подвергнутых воздействию ультразвуком (б) во время оплавления. Нагружение со стороны подложки. х30
'"'ишшищц
■ ,......////////// 7 , ,,,,■ ,
/ / f/SS /////III ¡S/S
mm
¡ЯВЯнНННН!
Рис. 4. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б), распределение главного пластического сдвига (в) и поворотной компоненты тензора дисторсии (г) в образце с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки. Нагрузка прикладывается со стороны покрытия, е ~ 0.1 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
растрескавшихся при испытаниях на трехточечный изгиб (рис. 3). Видно, что в покрытии, оплавленном без приложения ультразвуковых колебаний, формируется единственная магистральная трещина, распространяющаяся через всю ширину образца (на рис. 3, а обозначена стрелкой), что обусловливает значительную локализацию деформации. Напротив, в образце с покрытием, оплавленным при приложении ультразвуковых колебаний магистральная трещина отсутствует (рис. 3, б), что, безусловно, снижает уровень локализации деформации в подложке и обеспечивает повышение пластичности.
3.2. Развитие деформации на мезомасштабном уровне
3.2.1. Приложение нагрузки со стороны покрытия
При приложении нагрузки со стороны покрытия пластическая деформация в образцах с оплавленными с ультразвуковой обработкой покрытиями начинается при уровне внешнего напряжения а0 2 ~ 800 МПа, что примерно на 150 МПа меньше, чем для образцов с покрытиями, оплавленными без ультразвуковой обработки. По всей видимости, это связано с концентрированным приложением изгибающей нагрузки к покрытию, поверхность которого имеет меньшую микротвердость по сравнению с таковой для оплавленного без ультразвуковой обработки [2]. При последующем нагружении
уровень деформирующего напряжения в композициях обоих типов выравнивается, а при больших степенях деформации напряжение течения в образце с оплавленным с ультразвуковой обработкой покрытием даже выше напряжения в композиции второго типа. Данный факт хорошо согласуется с результатами испытаний таких композиций в условиях статического сжатия, описанными в работе [2]. По всей видимости, больший уровень напряжения течения в композиции с оплавленным с ультразвуковой обработкой покрытием при величине деформации более 0.3 % связан с активным вовлечением в сопротивление пластическому деформированию подложки, граничащий с покрытием слой которой имеет большую микротвердость по сравнению с композицией с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки [2]. Однако в целом при данной схеме нагруже-ния форма кривых течения подобна, что свидетельствует о подобии механизмов развития деформации в композициях обоих типов при трехточечном изгибе, обусловливающем локализованное приложение к образцу нагрузки.
Покрытия, оплавленные без ультразвуковой обработки
На начальных этапах нагружения композиций ««основа - покрытие» по схеме трехточечного изгиба при приложении нагрузки со стороны покрытия можно выделить несколько характерных этапов (стадий) развития
1
V СУ
А А
V
ш }
л\\ \ \ ^
(1И1
■Ш!
11
¡¡■¡■■¡¡(¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡л
¡■И
■ .......
И.125-10 5 2.25-10"5 3.375-10"5
1
'11И11|Ц""1та
Рис. 5. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б), распределение главного пластического сдвига (в) и поворотной компоненты тензора дисторсии (г) в образце с газотермическим покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки. Нагрузка прикладывается со стороны покрытия, е ~ 0.4 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
деформаций, основным критерием определения которых являются картины распределения векторов смещений.
Уже на начальном этапе деформирования развитие деформации носит вихревой характер, что отчетливо проявляется на картине векторов смещений (рис. 4, б). Данный факт связан как с неоднородным характером приложения к образцу нагрузки (в первую очередь), так и с несовместностью развития пластического течения в покрытии и подложке (при больших степенях деформации). По мере увеличения уровня внешней нагрузки вихревой характер развития пластического течения сохраняется, а область материала, вовлеченного в вихревое движение, увеличивается.
Локализованное приложение нагрузки со стороны покрытия обуславливает дополнительное локальное на-гружение приграничного с ним материала подложки (рис. 5, б). В результате здесь более интенсивно формируется деформационный рельеф (рис. 5, а). В то же время, сдерживание покрытием однородного развития деформации в приграничном с ним слое подложки приводит к формированию «складки» экструдированного материала, ориентированной параллельно покрытию (выделенной на рис. 5, а пунктирной линией). Следует отметить, что данная складка является интегральным эффектом формирования деформационного рельефа, поэтому проследить ее возникновение по картине рас-
пределения векторов смещений не удалось. Характерное для данной степени деформации распределение векторов смещений в анализируемой области приведено на рис. 5, б. Отчетливо видно, что развитие деформации как в покрытии, так и в подложке крайне неоднородно. В то же время, развитие деформации в подложке носит явно аккомодационный характер, что приводит к снижению уровня деформации в наблюдаемой области: максимальное значение главного пластического сдвига составляет у ^ 4.5-10-5, что ниже такового значения для этой же области при вихревом характере пластического течения (ср. рис. 4, в и 5, в).
Таким образом, при данной схеме приложения нагрузки развитие деформации на мезоуровне при трехточечном изгибе в исследуемой композиции можно охарактеризовать следующим образом. Основную нагрузку принимает на себя покрытие, развитие деформации в котором, отличающееся от такового в подложке, вызывает вихревой характер пластического течения. При этом, наличие более прочного покрытия сдерживает однородное развитие деформации в нижележащем слое подложки (что проявляется в виде формирования складки экструдированного материала). Релаксация передающихся от пуансона к подложке напряжений реализуется механизмами микромасштабного уровня, а область локализованного развития деформации в подложке имеет форму розетки (рис. 5).
V а А А
!Ш1
:мгш» I .......I
Рис. 6. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в образце с газотермическим покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой. Нагрузка прикладывается со стороны покрытия, е ~ 0.1 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
В случае, если микромасштабные механизмы оказываются не совсем эффективными (или их релаксационная способность оказывается исчерпанной), в подложке формируются мезополосы локализованной деформации (подобно развитию деформации в образцах с надрезом или трещинами в упрочняющем покрытии [9]). При выходе деформации на макромасштабный уровень вдоль одной из мезополос формируется макрополоса локализованной деформации, и она определяет путь распространения магистральной трещины.
Покрытия, оплавленные с ультразвуковой обработкой
Неоднородность развития деформации в покрытии и подложке в композициях данного типа на начальной
стадии нагружения также носит вихревой характер, причем переориентация направлений векторов в рассматриваемой области значительно превышает таковую для образца с газотермическим покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки (ср. рис. 4, б и 6, б). Данный факт, по всей видимости, связан с наличием между покрытием и основой переходного слоя, сформировавшегося в процессе оплавления с ультразвуковой обработкой. Он практически исключается из развития деформации: деформационный рельеф в нем выражен в незначительной степени (рис. 6, а). В то же время, максимальное значение главного пластического сдвига в наблюдаемой области для образцов обоих типов не превышает у = 9-10-5 (рис. 6, в, см. также рис. 4, в).
При последующем нагружении вблизи зоны контакта пуансона с покрытием в области границы его раздела с подложкой формируется зона экструдированного материала (на рис. 7, а обозначена пунктирной линией). Развитие деформации на мезоуровне при этом имеет весьма неоднородный характер (рис. 7, б), а максимальное значение главного пластического сдвига в наблюдаемой области достигает у = 2.2-10-4 (рис. 7, в). Превышение уровня деформации в данном образце значений деформации в композиции с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки, по нашему мнению, связано с локализованным приложением нагрузки и наличием переходного слоя. В образце с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки, граничащий с покрытием слой подложки реализует «эффективный» механизм релаксации, связанный с локализованным развитием деформации в пределах области, имеющей форму розетки (фактически, нагрузка локализованно передается от покрытия в подложку). В случае оплавленных с ультразвуковой обработкой покрытий переходный слой препятствует столь быстрому и локализованному способу релаксации, перераспределяя напряжения по большей площади. В результате деформация носит более неоднородный характер и характеризуется более высоким структурным уровнем развития, а максимальная величина у в анализируемой области возрастает. По этой причине формирование деформационного рельефа в образцах с оплавленными с ультразвуковой обработкой покрытиями происходит менее интенсивно, чем в покрытиях, оплавленных без ультразвуковой обработки (ср. рис. 5, а и 7, а, при приблизительно равных величинах деформации).
При увеличении степени деформации в прилегающем к покрытию слое подложки деформационный рельеф также является менее выраженным по сравнению с ее нижележащими слоями (рис. 8, а). Картина распределения векторов смещений показывает, что развитие деформации на мезоуровне определяется формированием в этой области вихревого движения материала на мезомасштабном уровне (рис. 8, б). Отсутствие эффективного механизма релаксации (подобного таковому
||
* _ * *
5.5-10"5
1.65-10"4 2.2-10"4
Рис. 7. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в образце с газотермическим покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой. Нагрузка прикладывается со стороны покрытия, е ~ 0.3 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
Рис. 8. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в образце с газотермическим покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой. Нагрузка прикладывается со стороны покрытия, е ~ 0.45 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
для образца с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки, в виде зоны локализованного пластического течения в подложке в форме розетки) приводит к повышению максимального значения главного пластического сдвига в наблюдаемой области до значения у = 2.4-10-4 (рис. 8, в).
3.2.2. Приложение нагрузки со стороны подложки Покрытия, оплавленные без ультразвуковой обработки
Испытания по данной схеме проводились с целью выяснить особенности развития деформации и зарождения трещины в подобных композициях в случае возникновения на поверхности покрытия растягивающих
напряжений. Специфика напряженно-деформированного состояния при такой схеме нагружения будет определяться действием на поверхности покрытия максимальных растягивающих напряжений, а кроме того, возникновением растягивающих напряжений на границе раздела «покрытие - основа» как области сопряжения двух материалов, имеющих различные упругие модули. Анализ монтажей оптических изображений композиции «оплавленное без ультразвуковой обработки покрытие - подложка» показал, что образование трещин и слабовыраженных полос локализованной деформации происходит практически одновременно (рис. 9, а). Расстояние между основаниями этих трещин составляет ~ 1 800 мкм.
Рис. 9. Монтажи оптических изображений боковой грани композиции «оплавленное без ультразвуковой обработки покрытие -основа» при нагружении со стороны подложки: е ~ 0.2 (а); 0.4 % (б)
Полосы локализованной деформации при дальнейшем нагружении становятся более выраженными, а одна из трещин в покрытии быстро перерастает в магистральную (см. рис. 3, а), обуславливая значительную локализацию деформации (рис. 9, б), что, в конечном счете, завершается разрушением композиции.
Оптико-телевизионные исследования позволили выявить причины и характер развития данных мезо-полос. На начальном этапе нагружения вплоть до возникновения трещин в покрытии при использовавшемся увеличении не удавалось выявить признаков локализации ее развития. Последующее распространение поперечных когезионных трещин начинается от поверхности покрытия (рис. 10, а) и вызывает локализацию деформации в наблюдаемой области: максимальное значение главного пластического сдвига, характерное для области вершины трещины, в покрытии составляет у = = 2.4 • 10-4 (рис. 10, б). Анализ оптического изображения и картины распределения главного пластического сдвига показывает, что формирование выраженных полос локализованного сдвига в подложке не происходит, однако сразу после того, как данная трещина становится магистральной (рис. 9, б), основная деформации в образце локализуется в распространяющихся от нее макрополосах пластической деформации.
Покрытия, оплавленные с ультразвуковой обработкой
На этапе деформирования, предшествующем формированию в оплавленном без ультразвуковой обработки покрытии магистральной трещины (до £ ~ 0.25 %, см. рис. 2, б), характер развития деформации в композициях обоих типов подобен, о чем свидетельствует схожесть соответствующих участков кривых «напряжение - деформация».
Основным отличием в характере развития деформации на мезоуровне в композициях с оплавленными с ультразвуковой обработкой покрытиями от оплавленных без ультразвуковой обработки является меньшая степень локализации деформации в мезополосах (ср.
рис. 9 и 11), что, по всей видимости, связано с распространением трещин не через всю ширину покрытия (см. также рис. 3, б). Подобные результаты были подробно описаны при исследовании поведения образцов этих материалов в условиях сжатия [2]. В ходе последующего нагружения сформированная система трещин в покрытии с ультразвуковой обработкой при оплавлении достаточно долго не обусловливала значительную локализацию пластического течения в подложке, что и обеспечило повышение пластичности почти в 2 раза, а также увеличение предела прочности (рис. 11, см. также рис. 2, б).
1.2-10"4 1.8-10"4 2.4-10"4
Рис. 10. Оптическое изображение (а) и распределение главного пластического сдвига (б) в образце с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки. Нагрузка прикладывается со стороны подложки; е ~ 0.18 %. Размер изображения 1 600 х 1200 мкм
Рис. 11. Монтажи оптических изображений боковой грани композиции «оплавленное с ультразвуковой обработкой покрытие -основа» при нагружении со стороны подложки: е ~ 0.3 (а); 0.67 % (б)
Меньшая степень локализации деформации в образцах с покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой, подтверждается и картинами распределения деформации. Несмотря на то, что распространение трещины в таком покрытии (рис. 12, а) сопровождается вихревым характером пластического течения в подложке, интенсивность развития деформации при этом ниже, чем в образце с покрытием, оплавленным без ультразвуковой обработки: максимальное значение главного пластического сдвига в рассматриваемой области не превышает у = 1.8-10-4 (рис. 12, в). Вихревой характер пластической деформации в образцах с оплавленным с ультразвуковой обработкой покрытием, по всей видимости, связан с тем, что для распространения трещины в покрытии, имеющем нижележащий переходный слой, требуется больший уровень напряжений. Локальное повышение уровня внутренних напряжений в области границы раздела достигается за счет возникновения локального «вихря» (рис. 12, б). После того как трещина распространилась через всю толщину покрытия, максимальное значение главного пластического сдвига в наблюдаемой области не увеличилось и составляло у = = 1.4-10-4.
Характер развития деформации на мезоуровне после формирования в покрытии, оплавленном с ультразвуковой обработкой, системы поперечных трещин, в целом, напоминает таковой в композиции другого типа (см. рис. 10): от трещин в покрытии развиваются размытые полосы локализованной деформации, а преобладающим механизмом становится взаимодействие этих полос между собой.
При дальнейшем нагружении полосы локализованной деформации становятся более выраженными, а их ориентация к направлению приложения нагрузки составляет ~45 градусов (рис. 13, а). Вплоть до разрушения композиции наличие системы мезополос, а также их взаимодействие между собой определяют развитие пластической деформации на мезоуровне. Это, по всей видимости, связано с положительным влиянием факто-
0
:;:.:.:.:.:.:.:. 4.5' 1 0 5
19-10"5 1.35-10-1.8-10"4
Рис. 12. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение главного пластического сдвига (в) в образце с покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой; нагрузка прикладывается со стороны подложки, е ~ 0.13 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
........."""1...............Г.......'....................<.......Щ^.^ШЩШ^Лт.,,.......
Рис. 13. Оптическое изображение (а) и соответствующее распределение главного пластического сдвига (б) в образце с покрытием, оплавленным с ультразвуковой обработкой; нагрузка прикладывается со стороны подложки; е ~ 0.5 %. Размер изображения 1600 х 1200 мкм
ра образования в покрытии большого количества несквозных трещин. В работе [10] было показано, что взаимное влияние расположенных в непосредственной близости друг от друга зон локализации деформации может в значительной степени задерживать выход деформации на макромасштабный уровень. Полученные в настоящей работе результаты подтверждают данный тезис. На рис. 13, а приведено оптическое изображение, иллюстрирующее формирование деформационной ме-зоструктуры в области двух соседних трещин в оплавленном с ультразвуковой обработкой покрытии. Построение поля векторов смещений и последующий расчет главного пластического сдвига в этой области (рис. 13, б) показывает, что полосы локализованной пластической деформации, берущие свое начало от соседних трещин в покрытии, взаимно пересекаются, что, однако, не сопровождается выходом локализации деформации на макромасштабный уровень. Подобное самосогласование деформации в соседних мезополосах и обеспечивает повышение пластичности композиции с оплавленным с ультразвуковой обработкой покрытием по сравнению с необработанным ультразвуком примерно в два раза (см. рис. 3, б). Отметим, что максимальное значение главного пластического сдвига в наблюдаемой области обусловлено не пластической деформацией, а расхождением берегов усталостной трещины у = 4.5-10-4 (рис. 13, б). Тем не менее, взаимодействие
мезополос деформации позволяет эффективно релак-сировать высокий уровень напряжений, действующих в вершинах трещин в покрытии.
4. Заключение
Нагружение образцов по схеме трехточечного изгиба приводит к формированию в них сложного напряженно-деформированного состояния: действие сжимающих напряжений в месте контакта с пуансоном нагружающего устройства на одной плоской грани сменяется на растягивающие напряжения на противоположной грани. Наличие покрытия, имеющего отличные от подложки физико-механические характеристики, еще более усложняет распределение напряжений и деформаций, прежде всего, за счет возникновения зон концентрации напряжений на границе раздела. Тем не менее, проведенные экспериментальные исследования позволили выявить качественные и количественные отличия в развитии деформации и разрушения композиций с газотермическими оплавленными покрытиями, отличающимися наличием переходного слоя и наличием локальных затеканий материала покрытия в подложку. Полученные результаты позволили заключить следующее:
1. При приложении нагрузки со стороны подложки пластичность оплавленного с ультразвуковой обработкой покрытия повышается примерно в два раза по сравнению с оплавленным без ультразвуковой обработки, что сопровождается увеличением предела прочности примерно на 200 МПа. Данный результат связан со значительным снижением роли локализации деформации при растрескивании покрытия, в связи с тем что оплавленные в условиях подвода ультразвуковых колебаний покрытия растрескиваются, образуя мелкие фрагменты. Это вызвано диспергированием макроконцентраторов напряжений на захватах вследствие возникновения большого количества менее мощных мезоконцентрато-ров на локальных затеканиях материала покрытия в подложку.
2. При приложении нагрузки со стороны покрытия отсутствие переходного слоя между покрытием и основой приводит к локализации деформации в небольшой по размерам зоне подложки, имеющей форму розетки, и постепенному снижению вследствие этого уровня внешней нагрузки. Фактически, основная релаксация напряжений, передаваемых пуансоном покрытию, происходит за счет пластических сдвигов в зоне локализации деформации в подложке. Более однородная структура оплавленного с ультразвуковой обработкой покрытия, наличие переходного слоя и наличие «затеканий-зубцов» перераспределяют, концентрированно прикладываемую к покрытию нагрузку, на большей по площади области подложки.
3. Вихревой характер пластического течения в исследовавшихся композициях обусловлен несколькими при-
чинами: 1) локализованным приложением нагрузки, обеспечивающим создание в образце изгибающих напряжений; 2) сопряжением двух материалов, имеющих различные механические характеристики, проявляющимся в возникновении на границе раздела зон концентрации упругих напряжений; 3) распространением трещин в покрытии, что изменяет характер напряженно-деформированного состояния.
4. Описанный метод проведения испытаний на трехточечный изгиб с использованием комплекса TOMSC, сочетающий in situ наблюдения боковой грани образцов в условиях нагружения трехточечным изгибом и анализ параметров кривой течения, соответствующих всему процессу нагружения, может быть рекомендован как для экспресс-оценки свойств композиций «покрытия - основа», так и для подбора геометрических и структурных параметров покрытий.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного контракта с Минпромнауки РФ № 41.002.1.1.2424, а также гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» (грант НШ-2324.2003.1).
Литература
1. Безбородое В.П., Нехорошкое О.Н., Ковалевский Е.А. Структурно-фазовые особенности формирования газотермических покрытий из никелевых сплавов при оплавлении и ультразвуковой обработке // Перспективные материалы. - 2000. - № 4. - С. 64-68.
2. Клименов В.А., Панин C.B., Балохонов P.P., Нехорошков О.Н., Кузьмин В.И., Ковалевская Ж.Г., Шмаудер 3. Экспериментальное и теоретическое исследование мезоскопической деформации и разрушения при сжатии образцов малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в условиях мощных ультразвуковых колебаний // Физ. мезомех. -2003. - Т. 6. —№ 2. - С. 99-110.
3. Витязь П.А., Клименов В.А., Панин C.B., Нехорошков О.Н., Бело-церковскийМ.А., Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. Влияние структуры и свойств покрытия и основы на поведение композиции «сталь 40X13 - малоуглеродистая сталь» в условиях деформации сжатием // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 1. - С. 37-50.
4. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г. А., Ремпе Н.Г. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -№ 2. - С. 34-39.
5. Sizova O.V., Kolubaev A.V. Einfluß der Struktur von Borid-Schutz-schichten auf Reibung und Gleitverschleiß // "Tribologie-Fachtagung", Reibung, Schwierung und Verschleiß, 1996. - Gottingen, 1996. -Vort. 27.
6. Сырямкин В.И., Панин С.В. Оптико-телевизионный метод исследования поведения и диагностики состояния нагруженных материалов и элементов конструкций // Вычислительные технологии. -2003. - Т. 8 (специальный выпуск). - С. 11-26.
7. БеляевН.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 608 с.
8. Безбородов В.П., Нехорошков О.Н., Ковалевский Е.А. Структурно-
фазовые особенности формирования газотермических покрытий из никелевых сплавов при оплавлении и ультразвуковой обработке // Перспективные материалы. - 2000. - № 4. - С. 64-68.
9. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Дерюгин Е.Е., Панин А.В., Панин С.В., Антипина Н.А. Закономерности и стадии предразрушения в физической мезомеханике // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 6. -С. 97-106.
10. 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.
The effect of ultrasonic treatment during fusion of gas-thermal coatings on deformation and fracture of "coating - substrate" compositions
at three-point bending
S.V. Panin, V.A. Klimenov, M.P. Seifullina1, Yu.I. Pochivalov, and B.B. Ovechkin1
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634034, Russia
Using the television-optical measuring complex TOMSC we study the mechanisms of localized plastic deformation development at three-point bending of low-carbon steel specimens with the gas-thermal coating fused with strong ultrasonic vibrations applied and without them. It is shown that in load application from the substrate plasticity of the coating fused in ultrasound application increases about two times and the ultimate strength grows by ~ 200 MPa. This effect is related to a considerable decrease in the contribution of localized deformation in coating cracking, which is due to the formation of rather small fragments in coatings fused with ultrasonic vibrations applied. This is caused by the dispersion of stress macroconcentrators on the grips due to the appearance of numerous less strong mesoconcentrators on local in-flows of the coating material into the substrate.
