CC BY
73
Влияние структуры и свойств покрытия и основы на поведение композиции “сталь 40X13 - малоуглеродистая сталь” в условиях деформации сжатием
П.А. Витязь, В.А. Клименов1, С.В. Панин1, О.Н. Нехорошков1,
М.А. Белоцерковский, Ж.Г. Ковалевская1, В.А. Кукареко
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследованы механизмы и закономерности пластической деформации и разрушения на мезо- и макромасштабном уровнях при сжатии образцов из малоуглеродистой стали с напыленным покрытием из стали 40X13. Показано, что состав и структура покрытий, зависящие от метода и режимов напыления, определяют прочностные и пластические свойства композиции “покрытие -основа”. Установлено, что вид кривых течения, характер разрушения и прочностные показатели исследованных композиций зависят от условий нагружения, пористости покрытий и количества окислов в них. При этом толщина адгезионного переходного подслоя практически не сказывается на характере развития мезоскопической пластической деформации и разрушения композиции. Возможность релаксации концентраторов напряжений за счет развитой системы пор в газопламенном напыленном покрытии, а также эстафетное развитие пластического течения в нем от низкого структурного уровня к более высокому обеспечивают увеличение степени деформации до разрушения образца с газопламенным напыленным слоем по сравнению с образцом с покрытием, напыленным активированной дуговой металлизацией, почти в два раза.
1. Введение
Нанесение газотермических покрытий является эффективным и сравнительно недорогим методом повышения ресурса работы, а также восстановления деталей и изделий. Исследование поведения композиций “покрытие - основа” при внешних воздействиях является принципиально важным для прогнозирования их работоспособности и надежности, а также установления взаимного влияния свойств покрытия и основы на интегральные характеристики всей композиции [1, 2]. Среди основных факторов, определяющих поведение при механическом нагружении композиций “газотермическое покрытие - основа”, в литературе отмечают наличие резко выраженной плоской границы раздела между покрытием и основой, обусловливающей резкое изменение прочностных характеристик и соответственно возникновение при нагружении мощных концентраторов напряжений, а также неоднородность структуры самих покрытий, вызванную специфическими условиями их формирования [1, 3, 4].
Поскольку напыленное покрытие формируется путем последовательной высокоскоростной укладки на основу множества частиц, сопровождающейся их деформацией, структура и свойства покрытий отличаются от литых материалов того же состава. В композиции “газо-
термическое покрытие - основа” наряду с межзерен-ными и межфазными границами дополнительно присутствуют три типа границ более высоких структурных уровней, также определяющих ее свойства [3]:
- границы между деформированными частицами покрытия,
- межслойные границы,
- граница между покрытием и подложкой.
Кристаллизация и охлаждение частиц покрытия
происходят в условиях сверхбыстрой закалки, что приводит к формированию неравновесных структур с особым фазовым составом [5]. Наиболее полно неравновесные условия кристаллизации реализуются в приграничном слое покрытия, который формируется в условиях максимального теплоотвода в основу [2]. Кроме того, при напылении покрытий происходит интенсивное взаимодействие входящих в их состав элементов с окружающей средой и рабочими газами, что приводит к выгоранию части легирующих элементов и формированию окислов [1].
Все перечисленные факторы определяют мезострук-туру композиции “покрытие - основа” и влияют на характер развития деформации и разрушения при ее механическом нагружении. Еще одним важным параметром, влияющим на конструкционную прочность и характер поведения при деформировании композиции
© Витязь П.А., Клименов В.А., Панин С.В., Нехорошков О.Н., Белоцерковский М.А., Ковалевская Ж.Г, Кукареко В.А., 2002
“газотермическое покрытие - основа”, является соотношение между когезионной и адгезионной прочностями покрытия [4].
Проблема влияния структурных факторов на поведение композиции “покрытие - основа” при пластической деформации в последнее время подробно исследовалась в рамках методологии физической мезомеханики. Исследования поведения композиции “газотермическое покрытие - основа” при растяжении, проведенные в работах [6, 7], позволили установить, что в зависимости от соотношения когезионных и адгезионных свойств покрытия, развитие пластической деформации может происходить по нескольким сценариям.
В то же время, растяжение является достаточно модельной схемой нагружения, редко встречающейся в реальных условиях эксплуатации. Поэтому представлялось интересным исследовать мезоскопические особенности поведения композиции “газотермическое покрытие - основа” в условиях сжатия с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения TOMSC [8], а также изучить влияние границ раздела различных структурных уровней на характер развития деформации и разрушения композиций.
Кроме того, при испытании на сжатие композиция “покрытие - основа” демонстрирует показатели прочности, превышающие показатели прочности при растяжении [9]. Данная особенность поведения композиции при испытаниях на сжатие позволяет наблюдать процесс пластической деформации, предшествующий зарождению трещины в гораздо большем временном интервале.
2. Материал и методика и исследований
В работе исследовали поведение при деформации сжатием двух композиций “покрытие - основа“, полученных с использованием различных методов термоструйного напыления [10-13]:
- напыление скоростной воздушной струей металлической проволоки, расплавляемой в факеле пропанокислородного пламени,
- напыление реакционной струей продуктов сгорания пропано-воздушной смеси металлической проволоки, расплавляемой в электрической дуге.
Газотермическое напыление осуществлялось термораспылителем ”ТЕРКО” [13], металлизация — на установке “АДМ-10” [10]. Температура распыляющего факела — 3 000 К. Скорость полета напыляемых частиц составляла 100-130 м/с в первом случае и 400-500 м/с во втором. Распыляемый материал покрытий — проволочная сталь 40X13. Материал подложки — Ст3. В качестве подслоя использовался сплав никеля и хрома.
Металлографический анализ проводили с использованием микроскопа МИМ-9. Образцы для механичес-
ких испытаний на сжатие изготавливали методом электроискровой резки в форме параллелепипедов. Размер рабочей части образца составлял 5х3.0х3.0 мм3. Наблюдение деформационного рельефа во время нагружения проводили на боковой грани композиций таким образом, чтобы в поле зрения объектива попадали и покрытие и подложка.
Испытания на одноосное статическое сжатие проводили на механической испытательной машине “ИМАШ-2078” со скоростью 0.03 мм/мин. Одновременно с нагружением образца производилась автоматическая запись диаграммы нагружения. Для нагружения образцов использовали реинфорсер, предназначенный для преобразования растягивающих усилий в сжимающие напряжения [14]. Образец устанавливался между захватами реинфорсера горизонтально и удерживался в таком положении за счет сил трения.
Исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях проводили с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса ТОМSС-1 путем анализа полей векторов смещений, построенных путем компьютерной обработки оптических изображений. Съемка изображений проводилась двухэкспозиционным методом, при котором приращение нагрузки выполнялось в перерывах между съемками.
3. Результаты эксперимента
3.1. Металлографический и рентгенофазовый анализ
На рис. 1 приведены металлографические изображения поперечного сечения образцов из стали Ст3 с покрытием из стали 40X13, напыленным активированной дуговой металлизацией (АДМ-покрытие, рис. 1, а, б) и газопламенным способом (ГПН-покрытие, рис. 1, в).
В обоих образцах приграничный с покрытием слой основы имеет деформированную структуру, образованную в результате наклепа после предварительной дробеструйной обработки. Толщина деформированного слоя, наблюдаемая металлографически, составляет около 50 мкм (рис. 1, б, в). Однако изменение прочностных свойств, анализируемых путем измерения микротвердости, происходит на глубину порядка 100 мкм (рис. 2). При этом значение микротвердости у поверхности основы возрастает с 1 500 до 2 500 МПа.
Для улучшения адгезионной связи на поверхность основы был нанесен подслой из хорошо растекшихся капель сплава №-Сг, создающий на границе раздела “покрытие - основа” переходный слой. Ярко выраженных дефектов, крупных пор, трещин в данной зоне не наблюдается. Подслой в АДМ-покрытии имеет толщину 150 мкм, в ГПН-покрытии — 50 мкм. Микротвердость подслоя выше микротвердости основы и равна 3450 МПа.
Рис. 1. Структура АДМ-покрытия и подслоя №-Сг (а) и оптические изображения боковой грани композиции “покрытие 40X13 - основа Ст3” в области границы раздела: АДМ-покрытие (б); ГПН-покры-тие (в)
Как видно из характера распределения значений микротвердости на рис. 2, наличие подслоя и зоны поверхностного упрочнения основы нивелирует резкий скачок прочностных свойств на границе раздела “покрытие - основа” и тем самым снижает вероятность возникновения концентраторов напряжения при деформации.
Н1 оо> МПа і подслой 0
основа покрытие
8000 - ш
4000 - п • • • ••• Ш 1
и ^ С I ) і і I 400 800 /, мкм
Н1 оо> МПа і ПОДСЛОЙ №
8000 -4000 - основа ; покрытие • ••••••
- • • • ••
п
и і І I "
0 400 800 /, мкм
Рис. 2. Распределение значений микротвердости в композиции “основа - покрытие”: а — активированная дуговая металлизация; б — газопламенное напыление
Структура основного покрытия зависит от способа его нанесения. При активированной дуговой металлизации основное покрытие, напыленное на подслой, состоит из хорошо растекшихся частиц-сплэтов с высотой около 6 мкм и средним диаметром 120 мкм (рис. 1, а). На границе большинства частиц наблюдаются прослойки, состоящие из окислов, которые в отдельных местах перемешиваются с металлической фазой и образуют смесь с равным процентным соотношением. Общий процент окислов в покрытии составляет не менее 10 об. %. Так как АДМ-покрытие формируется из жидких капель небольшого размера 5-40 мкм [11], осаждающихся с большей скоростью, средняя пористость в покрытии незначительна — 3-4 %. Поры располагаются, в основном, по границам и в местах стыка нескольких частиц.
При газопламенном напылении покрытие состоит из более крупных частиц — в основном в виде искаженных дисков со средней высотой 30 мкм и диаметром 300 мкм. Реже встречаются частицы округлой формы диаметром около 200 мкм (рис. 1, в). Окислы располагаются по границам частиц в виде разорванных прослоек, а также в виде сколов в больших порах, образующихся на стыке нескольких частиц. В отдельных местах окислы имеют округлую форму в виде микрокапель. Примерное содержание окислов 2-3 об. %. Пористость ГПН-покрытия значительно выше и составляет 8-
Рис. 3. Структура металлических частиц покрытия из 40X13: а — активированная дуговая металлизация; б — газопламенное напыление
9 об. %. За счет менее плотной укладки частиц образуется сеть поровых каналов.
В обоих типах покрытия после химического травления специально подобранным травителем выявлена внутренняя структура частиц. Частицы имеют мелкодисперсную зеренную структуру, характерную для высокоскоростной закалки из расплава (рис. 3) [3]. В АДМ-покрытии в некоторых максимально растекшихся частицах наблюдается столбчатая структура, отражающая условия кристаллизации жидкого металла с развитием фронта растущих кристаллов в направлении, противоположном отводу тепла (рис. 3, а).
Измерение значений микротвердости проводилось на образцах по всей толщине покрытия и в глубь основы в направлении, перпендикулярном к границе раздела. В АДМ-покрытии микротвердость измерялась и в металлических частицах и в окислах (на рис. 2, а значения микротвердости, соответствующие частицам окислов, обозначены звездочками). Среднее значение микротвердости металлических частиц при этом составило 3 700 МПа, окислов — 5 600 МПа. Однако большинство отпечатков микротвердости получено на смеси тонких сплэтов металлических частиц и окислов, и среднее значение микротвердости всего покрытия составляет
4280МПа. В покрытии, нанесенном газопламенным способом, измерение микротвердости окисных прослоек затруднено из-за их незначительного размера. Микротвердость металлических частиц находится в интервале более высоких значений и в среднем составляет 5750 МПа (рис. 2, б).
Известно, что твердость покрытия как интегральная величина задается совокупностью значений микротвердости отдельных металлических частиц, окислов и общей пористости покрытия. Анализ значений твердости исследуемых покрытий подтвердил данное заключение. Среднее значение твердости АДМ-покрытия (Ну = = 3 550 МПа) близко значению твердости ГПН-покры-тия (Ну =3530 МПа). Это объясняется тем, что несмотря на повышенную пористость в ГПН-покрытии полученный показатель прочности Ну обеспечивается высокой твердостью напыленных частиц. Полученные значения твердости обоих типов покрытий предполагают близкие значения несущей способности и износостойкости, что подтверждается результатами триботехнических испытаний [11, 12].
3.2. Изучение механического поведения композиций при сжатии
Поведение образцов исследуемых композиций при сжатии зависит от схемы нагружения. С целью более детального исследования механизма деформации проведены испытания образцов с осью нагружения, параллельной и перпендикулярной к границе раздела “покрытие - основа”.
Анализ поведения образцов с АДМ- и ГПН-покры-тиями при нагружении, перпендикулярном напыленному слою, показывает, что в процессе испытаний покрытие практически не деформируется и сдерживает деформацию основы в объеме, прилегающем к покрытию. При этом часть основы, свободная от влияния покрытия, в процессе пластической деформации приобретает форму усеченной пирамиды с выгнутыми наружу боковыми поверхностями (рис. 4, а).
а 1р \§\ покрытие
покрытие Р У////////////А Г")
подложка ^ Г
tp подложка
п
Рис. 4. Схемы приложения нагрузки и внешнего вида испытываемых образцов после снятия внешней нагрузки: перпендикулярной (а) и параллельной (б) покрытию
Относительное укорочение в, % Относительное укорочение 8, %
Рис. 5. Кривые течения образцов Ст3 и композиций с газотермическими покрытию: АДМ-покрытие (1); ГПН-покрытие (2); Ст3 (3)
Кривые течения при нагружении, перпендикулярном границе раздела, представлены на рис. 5, а. Кривые а-е-композиций с АДМ- и ГПН-покрытиями расположены выше кривой течения стали Ст3 и до значения а =
= 390 МПа полностью совпадают. При возрастании напряжения характер кривой течения композиции с АДМ-покрытием не меняется, что указывает на высокие значения прочностных свойств покрытия при сжатии. Кривая течения композиции с ГПН-покрытием имеет ниспадающий участок. Это свидетельствует о том, что в процесс пластической деформации вовлекается и покрытие (кривая 2 на рис. 5, а). К сожалению, дальнейшее увеличение нагрузки оказалось невозможным из-за ограничений, связанных с характеристиками исследовательского оборудования.
При сжатии параллельно напыленному покрытию композиция ведет себя следующим образом: пластичная основа в процессе деформации приобретает бочкообразную форму, что приводит к изгибу границы раздела и самого покрытия. В результате на покрытие действуют не только сжимающие, но и изгибающие напряжения в направлении, перпендикулярном оси нагружения. При дальнейшем нагружении суммарные напряжения приводят к образованию в покрытии трещины под углом около 30° к оси нагружения и разрушению покрытия (рис. 4, б).
В процессе нагружения наблюдаются определенные различия характера деформации композиций с разным типом покрытия, что находит отражение на кривых сжатия (рис. 5, б). Прежде всего, предел текучести композиций с покрытиями а0 2 = 65 МПа почти в 2.5 раза меньше предела текучести стали Ст3 — а0 2 = 160 МПа. Кривая сжатия композиции с АДМ-покрытием показывает больший, по сравнению с композицией с ГПН-покрытием, коэффициент деформационного упрочнения, который при напряжении а = 230 МПа резко возрастает. Разрушение покрытия происходит хрупкопластически при значении предела прочности ав = 350 МПа и относительном укорочении е = 3.2 %. Кривая сжатия компо-
покрытиями при нагружении перпендикулярно (а) и параллельно (б)
зиции с ГПН-покрытием показывает более низкий и близкий к стали Ст3 коэффициент деформационного упрочнения. Покрытие в результате разрушается более вязко при значениях ав = 270 МПа и е = 5.8 %.
Сопоставление кривых течения образцов без покрытия и с АДМ- и ГПН-покрытиями показало, что покрытие и подложка испытывают различную степень пластической деформации. Степень деформации образцов с АДМ- и ГПН-покрытием в момент разрушения, согласно показаниям самописца, составляла соответственно 3.2 и 5.8 %. Измеренная же после разрушения степень деформации композиций (подложки, содержащей остатки разрушенного покрытия), независимо от их типа, составляла ~12 %.
Значительное различие характеристик кривых течения проявляется и в различии характера развития пластической деформации и разрушения композиций (под последним понималось разрушение покрытия в целом). Рассмотрим характерные картины поведения композиций при нагружении.
3.2.1. Композиции с АДМ-покрытием
Использование в качестве материала основы стали Ст3 обусловливает инициирование пластического течения путем распространения от одной или обеих пластин нагружающего устройства фронта локализованной пластической деформации (рис. 6, а). Развитие последнего начинается около одной из боковых граней образца, что проявляется в виде формирования деформационного рельефа в основе (на рис. 6, а показано стрелкой). При степени деформации ~1 % различие в развитии пластической деформации в покрытии и подложке уже начинает сказываться, что наглядно проявляется на карте векторов смещений в виде различной интенсивности смещений (рис. 6, б).
Наличие покрытия сдерживает развитие однородного пластического течения в подложке, которое при степенях деформации е > ~1 % протекает путем последовательного формирования деформационного рельефа,
Рис. 6. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов покрытием, е = 1 %: покрытие (1); подслой (2); подложка (3)
распространяющегося подобно фронту полосы Людер-са. Однако такое сходство проявляется лишь в характере его распространения по образцу. В целом, деформационный рельеф “наследует” исходную зеренную структуру подложки (рис. 7, а). Данный процесс сопровождается локальным изгибом образца, что также обусловливает развитие поворотных мод деформации. Послед-
смещений (б) на боковой поверхности образца композиции с АДМ-
нее отчетливо проявляется на картине распределения векторов смещений и подтверждается трехмерным распределением поворотной компоненты тензора дистор-сии (рис. 7, б, в). Следует также отметить, что следы нарушения адгезионной связи между покрытием и основой не обнаруживаются вплоть до разрушения (рис. 7, а, б).
Рис. 7. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) на боковой поверхности композиции с АДМ-покрытием, 8 = 1.55 %
Рис. 8. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) на боковой поверхности композиции с АДМ-покрытием; 8 = 3.1 %
Отсутствие в покрытии следов формирования выраженного деформационного рельефа, а также достаточно однородное распределение смещений в нем свидетельствуют о том, что АДМ-покрытие практически исключается из пластического формоизменения. Компьютерная обработка оптических изображений, полученных непосредственно перед разрушением (рис. 8, а), показала, что распространению в АДМ-покрытии магистральной трещины предшествует возникновение зоны концентрации напряжений, расположенной примерно посередине рабочей части образца. Визуально такая зона обнаруживается только на картине распределения векторов смещений, а также на картине распределения поворотной компоненты тензора дисторсии (рис. 8, б, в). На представленной карте векторов смещений отчетливо видна различная интенсивность смещений участков поверхности образца в сечении, которое соответствует месту будущего разрушения покрытия.
Разрушение композиции происходит с высокой скоростью. При этом магистральная трещина в покрытии развивается под углом ~30° к оси нагружения, а не вдоль нормали к ней (рис. 9), что свидетельствует о хрупкопластическом характере ее распространения.
3.2.2. Композиции с ГПН-покрытием
Газопламенные покрытия по сравнению с АДМ-по-крытиями имеют более высокие показатели микротвердости. В то же время, средний размер зерен и порис-
Рис. 9. Оптическое изображение боковой грани образца с АДМ-покрытием в области распространения магистральной трещины. Зафиксировано после разрушения
Рис. 10. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) на боковой поверхности образца стали Ст3 с покрытием, нанесенным газопламенным методом, е = 2.1 %
тость ГПН-покрытия в три раза выше таковых для АДМ-покрытий. В результате, преимущественным механизмом деформации ГПН-покрытия является когезионное и адгезионное растрескивание и расслаивание.
Развитие пластической деформации в таких композициях начинается, как и выше, с распространения от одного или обоих “захватов” фронта деформационного рельефа, подобно полосе Людерса (рис. 10, а). Это вызывает локальный изгиб образца, наглядно проявляющийся на поле векторов смещений (рис. 10, б), и сопровождается действием поворотных мод деформации (рис. 10, в).
После того как фронт деформационного рельефа распространился через всю рабочую часть образца, различие физико-механических характеристик покрытия и подложки приводит к возникновению в образце мощного изгибающего момента. Его развитие аккомодируется вихревым движением материала (рис. 11, б). Этот факт подтверждается и картиной распределения поворотной компоненты тензора дисторсии (рис. 11, в).
Развитие вихревого движения материала обусловливает процесс адгезионного отслаивания и когезионного расслоения покрытия. Об этом свидетельствует
картина распределения векторов смещений (рис. 11, б). В нижнем правом углу поля, показанного на рис. 11, б, видно, что сплошность на границах соседних сплэтов нарушена, поэтому каждому из них соответствуют области с различными направлениями векторов смещений. Данный участок на рис. 11, б помечен штрихпунк-тирной рамкой.
Характер последующего развития пластической деформации в образцах с ГПН-покрытиями определяется взаимодействием как отдельных сплэтов в напыленном материале, так и их слоев. По мере увеличения степени деформации преобладающими становятся перемещения не отдельных сплэтов, а их конгломератов друг относительно друга. При этом на оптическом изображении становится заметным образование несплошностей по границам таких конгломератов (рис. 12, а). При этом анализ поля векторов смещений позволяет зафиксировать, что фрагменты покрытия смещаются в направлении от границы раздела к поверхности покрытия (на рис. 12, б характерные направления перемещений обозначены крупными стрелками). Следует отметить, что процесс фрагментации покрытия находит свое отражение и на трехмерной картине распределения поворотной
Рис. 11. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) на боковой поверхности образца стали Ст3 с покрытием, нанесенным газопламенным методом; е = 3.6 %
компоненты тензора дисторсии (рис. 12, в), где видно, что значения компоненты в покрытии значительно превышают таковые в подложке.
Разрушение ГПН-покрытия происходит в тот момент, когда его фрагментация достигает максимальных масштабов: покрытие разбивается на два макрофрагмента, движущихся навстречу друг другу. Границей между этими макрофрагментами является формирующаяся магистральная трещина (на рис. 13, а показана стрелкой). Данная трещина распространяется от границы раздела в двух направлениях: в сторону поверхности покрытия, составляя угол ~30° с осью приложения нагрузки (рис. 13, б показана пунктирной линией), и параллельно границе раздела между подслоем и ГПН-по-крытием. Распространение магистральной трещины вдоль второго направления обусловливает полное отслоение макрофрагмента покрытия от подложки.
4. Обсуждение результатов
Обсуждение результатов проведем в два этапа. На первом затронем вопросы, касающиеся влияния режимов формирования газотермических покрытий на их
структуру и свойства, а на втором этапе оценим влияние структурных факторов на характер поведения композиций при их механическом нагружении.
Термические условия формирования каждого из исследуемых типов покрытий имеют свои особенности. В отличие от АДМ-метода, покрытие, полученное газотермическим способом, формируется газовым потоком из частиц большего размера (что было отмечено выше) с меньшей энтальпией и плотностью напыляемого материала. Строение покрытия неоднородно, т.к. форма кристаллизующихся частиц задается различной температурой и скоростью жидких капель и частиц, летящих в периферийной и центральной зонах потока. В процессе осаждения частиц происходит их сверхбыстрая закалка с последующим отпуском. Различные значения скорости охлаждения и температуры отпуска определяют разный фазовый состав и морфологию отдельных частиц. В результате формируется покрытие с гетерогенной структурой. Этим объясняется больший разброс значений микротвердости металлических частиц в ГПН-по-крытии по сравнению с АДМ-покрытием.
При формировании покрытия электрической дугой напыляемый поток имеет большую энтальпию и ско-
Рис. 12. Оптическое изображение (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (в) на боковой поверхности композиции с ГПН-покрытием, е = 4.5 %
рость истечения газовой струи. В таких условиях распыления материала формируются частицы меньшего диаметра. Высокая температура газового потока и большая площадь поверхности контакта жидкого металла с газовой средой приводят к более интенсивному окислению
основного металла. Этим обусловлено присутствие в АДМ-покрытии большего количества окислов железа. Внутренняя структура металлических частиц более однородна, а форма более близка к равноосной. Однако среднее значение микротвердости меньше, чем в случае
Рис. 13. Оптическое изображение (а) и соответствующее поле векторов смещений (б) боковой поверхности композиции с ГПН-покрытием; е = 5.7 %
ГПН-покрытий. Подобное снижение среднего значения микротвердости объясняется тем, что в ходе укладки частиц в процессе АДМ-напыления происходит повторный нагрев затвердевших частиц падающими расплавленными частицами до большей температуры, чем при газопламенном напылении. Подобная термообработка приводит к низкотемпературному отпуску мартенсита — основной фазовой составляющей покрытия из стали 40Х13 [10].
В результате АДМ-покрытие, имеющее высокий показатель плотности, образовано из более мягких металлических частиц с равномерно распределенными в объеме покрытия более твердыми окисными включениями. ГПН-покрытие состоит из более твердых металлических частиц, однако гетерогенная структура обусловливает более высокую пористость (9 %).
Сравнение результатов оптико-телевизионных исследований композиций обоих типов при нагружении параллельно границе раздела позволяет сделать следующие заключения о подобии и различии протекающих процессов.
Основное сходство в развитии пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в композициях с покрытиями обоих типов проявляется в следующем:
- Пластическое течение в обеих композициях первоначально развивается в подложке, в то время как покрытие еще “находится в упругой области”.
- Различие физико-механических характеристик покрытия и основы вызывает разное напряженно-деформированное состояние в образце около свободной поверхности подложки (противоположной покрытию) и со стороны покрытия. В результате образец испытывает локальный изгиб, создающий зону концентрации напряжений, сопоставимую с размером всего образца (макроконцентратор напряжений). Релаксация концентратора осуществляется за счет вихревого движения материала.
- Магистральная трещина зарождается на границе раздела “покрытие - основа” и распространяется в двух направлениях: вдоль границы раздела и к поверхности покрытия.
- Пластическое течение в композициях с покрытиями обоих типов начинается при уровне внешнего напряжения в 2.5 раза меньшем, чем в образце без покрытия.
К основным различиям в характере развития пластической деформации обеих композиций следует отнести следующее:
- Напряжение течения в образце с АДМ-покрытием выше, чем в ГПН-композиции; в отличие от образцов с ГПН-слоем при степени деформации ~2.5 % коэффициент деформационного упрочнения в образцах с АДМ-покрытием резко возрастает.
- Пластическая деформация ГПН-покрытий протекает за счет формирования трещин по границе раздела
“покрытие - основа”, а также по границам отдельных сплэтов и их конгломератов. В образцах с АДМ-покры-тиями развитие пластической деформации практически сразу приводит к возникновению магистральной трещины и разрушению.
- Даже наличие более толстого подслоя (й= 150 мкм) и меньшее различие значений микротвердости АДМ-покрытия и основы не позволяют такой композиции испытывать степень деформации более е = 3.2 %. При этом разрушение покрытия происходит хрупкопластически. В то же время, в композиции с ГПН-покрытием при большей степени различия микротвердостей покрытия и подложки и меньшей толщине подслоя (й = 50 мкм) степень деформации достигает 5.8 %. При этом разрушение покрытия носит квазивязкий характер.
Значительное различие пределов текучести композиций с покрытиями и образца без покрытия, по нашему мнению, вызвано следующим фактором. Развитие пластического течения в подложке начинается не по всему рабочему сечению образца, а около свободной поверхности. Таким образом, сдерживающее влияние покрытия (объем которого составляет только около одной шестой от объема всего образца) первоначально практически исключает из пластического формоизменения более половины подложки, в то время как напряжение течения рассчитывается через площадь поперечного сечения всей композиции. По мере того как пластическая деформация охватывает все поперечное сечение подложки, уровень напряжения течения композиций с покрытиями возрастает значительно быстрее по сравнению с таковым для образца без покрытия (рис. 5, б). Подобный эффект существенного изменения предела текучести и напряжения течения образцов в зависимости от объема материала, вовлеченного в сопротивление деформации, был обнаружен ранее при сжатии образцов конструкционной стали [15].
После распространения в подложке “полосы Людер-са” релаксация напряжений, инициируемых зоной концентрации упругих напряжений (концентратором напряжений) на границе раздела, в АДМ-покрытии практически не происходит. Несовместность развития пластической деформации в покрытии и подложке обусловливает малую пластичность композиции и быстрое разрушение более плотного, но хрупкого покрытия, различие степени деформации которого относительно подложки составляет Де = 12 - 3.2 = 8.8 %. В то же время, наличие в ГПН-покрытии развитой системы пор обеспечивает пластическое деформирование подложки уже на стадии распространения “полосы Людерса”. Об этом свидетельствует меньший уровень напряжения течения на данной стадии пластической деформации, а также отсутствие резких изменений коэффициента деформационного упрочнения, в том числе и перед разрушением ГПН-покрытия, когда различие степени его деформации
относительно подложки составляет Де = 12 - 5.8 = 6.2 % (рис. 5, б). Кроме того, испытания покрытий при приложении нагрузки перпендикулярно границе раздела показали, что при прочих равных условиях ГПН-покрытие начинает испытывать пластическую деформацию раньше, чем его АДМ-аналог (см. кривые 1 и 2 на рис. 5, а).
Обсудим влияние промежуточного подслоя на характер развития пластической деформации в композициях обоих типов. Прежде всего следует отметить, что толщина подслоя определялась опытным путем, таким образом в данной работе лишь оценивалась “правильность” такого выбора. Для композиций с АДМ-покрытием, отношение микротвердостей двух сопрягаемых слоев равняется примерно трем (4300 МПа/1 500 МПа) при пористости 3-4 % и малой пластичности. Подслой толщиной 150 мкм достаточно эффективно “решает задачу” сохранения адгезионной связи вплоть до разрушения покрытия. Однако какого-либо влияния подслоя на развитие деформации всей композиции по анализировавшимся полям векторов смещений выявить не удалось.
В композициях с ГПН-покрытием толщина подслоя составляет около 50 мкм. Отношение микротвердостей двух сопрягаемых слоев составляет при этом чуть меньше четырех (5 700 МПа/1 500 МПа) при пористости 9 %. По всей видимости, именно высокая пористость обеспечивает эффективную релаксацию концентраторов напряжений на границах отдельных сплэтов и предотвращает появление поперечных трещин, распространяющихся через всю ширину образца. Об отсутствии таких процессов локализации свидетельствуют и картины распределения векторов смещений. Характер разрушения композиции с ГПН-покрытием и тонким подслоем подобен таковому для композиции с АДМ-покрытием и в 3 раза более толстым подслоем.
Наконец, различие формы кривых 1 и 2 на рис. 5, б может быть объяснено в рамках концепции структурных уровней деформации и разрушения твердых тел [16]. Для композиции с АДМ-покрытием после распространения в подложке полосы Людерса (е = 2.5%) лидирующим масштабным уровнем развития деформации становится макроуровень. Отсутствие аккомодирующих процессов мезоуровня на кривой течения проявляется как резкое увеличение угла наклона кривой течения (см. кривую 1 на рис. 4, б). В образцах с ГПН-покрытием деформация первоначально локализуется по границам отдельных сплэтов, что приводит к образованию не-сплошностей по их границам. Затем лидирующим структурным уровнем становится уровень с масштабом, соответствующим конгломерату частиц. После этого наблюдаются неоднородность развития пластического течения в подслое и основном покрытии и соответственно нарушение сплошности вдоль этих слоев. Наконец, завершающим этапом является разделение покрытия на два макрофрагмента и распространение магистральной трещины в покрытии.
5. Заключение
1. При оптимизации толщин покрытий и промежуточных подслоев определяющими факторами должны служить не только соотношение прочностных характеристик и соотношение толщин покрытия и основы, но и структурные факторы: пористость (плотность) и хрупкость (наличие прочных малопластичных окислов и т.п.) покрытия. При этом толщина промежуточного подслоя не обязательно должна быть пропорциональна различию значений микротвердости покрытия и основы.
2. Возможность релаксации концентраторов напряжений за счет более высокий пористости ГПН-покры-тия, а также поэтапное развитие пластического течения в покрытии от более низкого структурного уровня к более высокому обеспечивают увеличение степени деформации до разрушения образца с ГПН-слоем по сравнению с его АДМ-аналогом почти в два раза.
3. При сжатии исследованных композиций с односторонним покрытием в направлении, параллельном границе раздела, пластическое течение в подложке может начинаться при уровне напряжений, значительно уступающем уровню напряжений для образца без покрытия, что вызвано исключением из пластического деформирования части подложки, прилегающей к покрытию.
4. При сжатии композиций “малоуглеродистая сталь - одностороннее газотермическое покрытие” несовместность развития пластической деформации проявляется в виде различной степени относительного укорочения подложки и покрытия. Разница для АДМ-слоя может составлять Де = 8.8 %, а для ГПН-покрытия — Де = 6.2 %.
Работа выполнена в рамках совместного проекта БРФФИ-РФФИ №№ Ф99Р-105 и 00-01-81134, при финансовой поддержке РФФИ (грант № 00-15-96174).
Литература
1. Тушинский Л.И., Столбов А.В., Синдеев В.И. Конструктивная прочность композиции основной металл - покрытие. - Новосибирск: Наука, 1990. - 306 с.
2. ЛященкоБ.А., Цигулев О.В., КурицовП.Б. Необходимо ли всегда повышать адгезионную прочность защитных покрытий // Проблемы прочности. - 1987. - Т. 15. - С. 70-74.
3. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.Н Физико-механи-
ческие процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. - Киев: Наукова думка, 1983. - 264 с.
4. Сверхбыгстрая закалка жидких сплавов / Под ред. Г. Германа. -М.: Металлургия, 1986. - 286 с.
5. СолоненкоО.П., СмирновА.В., КлименовВ.А., Бутов В.Г., Иванов Ю.Ф. Роль границ раздела при формировании сплэтов и структуры покрытий // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 123140.
6. КлименовВ.А., Панин С.В., БезбородовВ.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.
7. Панин С.В., АлхимовА.П., КлименовВ.А., Коробкина Н.Н., Нехо-рошков О.Н. Исследование влияния адгезионной прочности на характер развития пластической деформации на мезоуровне композиций с газодинамически напыленными покрытиями // Физ. ме-зомех. - 2000. - Т. 3. - № 4. - С. 97-106.
8. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Парфенов А.В., Не-рушГ.В., Панин С.В. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезомеха-ника и компьютерное конструирование материалов. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.
9. Szieslo U. Eigenschaften”thermisch gespritzter Schichten // VDI -Zeitschrift. - 1983. - B. 125. - Nb. 2. - S. 895-902.
10. Коробов Ю.С., Полякова А.Л., Счастливцев В.М. Структура и свойства стальных покрытий, нанесенных методом активированной дуговой металлизации // Сварочное производство. - 1997. -№ 1. - С. 4-6.
11. ИвашкоВ.С., БелоцерковскийМ.А., БайкусК.В. и др. Восстановление узлов трения активированной дуговой металлизацией // Автоматическая сварка. - 1999. - № 4. - С. 47-49.
12. Белоцерковский М.А. Триботехнические характеристики газопламенных покрытий // Трение и износ. - 2000. - Т. 21. - № 5. -
С.534-539.
13. Белоцерковский М.А. Разработка экономичного и высокоэффективного оборудования для газопламенного напыления // Наука — производству. - 1999. - № 6. - С. 14-16.
14. Панин С.В., Коваль А.В., АндрюковА.Ю. Мезоскопическое изучение пластической деформации в условиях одноосного сжатия композиций “покрытие - основа” со сложным профилем границы раздела // Труды Второй международной научно-технической конференции “Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред - ЭМФ 2001”, Барнаул, 3^ октября 2001. - Барнаул: Изд.-во Алтайского университета, 2001. -C.137-146.
15. Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина Н.А., Литвиненко А.В. Влияние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 105-110.
16. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. Структурные уровни деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.
