CC BY
60
Влияние толщины и структуры поверхностных боридных слоев на развитие пластической деформации и разрушение образцов конструкционных сталей при сжатии
С.В. Панин, А.В. Коваль1, Ю.И. Почивалов, А.Ю. Ткаченко1, А.В. Иваненко1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC и растровой электронной микроскопии проведено исследование характера развития пластической деформации на мезо- и макроуровнях и разрушения образцов, поверхностно упрочненных методом диффузионного борирования. Для композиций на основе малоуглеродистой стали Ст3 и конструкционной стали 15Н3МА в условиях статического сжатия оценено влияние толщины боридного слоя, а также различия профиля границы раздела «упрочняющий слой - матрица» на характер их деформационного поведения. Проведенный анализ кривых течения, картин деформационного рельефа и поверхностей разрушенных покрытий позволил для каждого типа исследованных композиций обосновать оптимальные толщины боридного слоя, обеспечивающие при сжатии максимальные прочностные характеристики поверхностно упрочненного материала.
1. Введение
Метод борирования широко применяется для защиты поверхностей деталей машин, работающих в условиях трения и износа, при этом высокая износостойкость обеспечивается не только высокой твердостью и прочностью поверхностно упрочненного (борирован-ного) слоя, но и структурно-фазовыми особенностями его строения [1-5]. Создание игольчатой или зубчатой структуры боридного слоя, формирование «переходных» промежуточных слоев, создаваемых, как правило, на этапе предварительной цементации поверхностного слоя матрицы, обеспечивают высокую адгезионную прочность такого покрытия. Кроме того, в работах [25] сообщается, что определенное строение и толщина упрочненного слоя позволяют обеспечить значительное повышение износостойкости упрочненных композиций при испытаниях в условиях трения.
В рамках методологии физической мезомеханики материалов неоднородностям внутреннего строения материалов уделяется особое внимание, поскольку именно они при нагружении являются местами возникновения зон концентрации упругих напряжений (концентраторов напряжений), способных качественно изменять харак-
тер развития пластической деформации и последующего разрушения [6, 7]. Кроме того, согласно результатам исследований, проводимых с использованием сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии поверхностные слои нагруженного твердого тела являются местом зарождения пластической деформации
[8]. В случае же поверхностного упрочнения или нанесения покрытий процессы на поверхности развиваются со значительно меньшей интенсивностью и определяющую роль играют процессы на границе раздела «покрытие - основа» как месте сопряжения материалов, имеющих различные физико-механические характеристики [9-11].
Изучению особенностей развития пластической деформации на мезоуровне и последующему разрушению композиций с покрытиями в условиях растяжения посвящено большое количество работ. Так, в работе [9] на примере ионно-азотированной нержавеющей стали было показано, что среднее расстояние между трещинами в покрытии определяется толщиной последнего, а плоская геометрия границы раздела обусловливает при растяжении квазипериодический пространственный характер растрескивания упрочняющего поверхностного
© Панин С.В., Коваль А.В., Почивалов Ю.И., Ткаченко А.Ю., Иваненко А.В., 2003
слоя. В работе [10] исследовали влияние соотношения физико-механических характеристик покрытия и основы на характер развития деформации на мезо- и макроуровне на примере ионно-азотированных образцов в случае использования в качестве материала подложки более «мягкой» (по сравнению с [9]) стали. При этом было показано, что при растрескивании композиций с пластичной матрицей и толстым покрытием лидирующим механизмом деформации становится формирование макрополос локализованной пластической деформации, распространяющихся от одной плоской грани образца к противоположной, и в которых локализуется практически вся пластическая деформации в образце. В работе [12] проанализировано влияние толщины нехрупкого покрытия на характер его растрескивания, а также наличия переходного слоя на характер формирования и эволюцию в подложке деформационной мезо-структуры. В работе [13] на примере высокопрочных покрытий, нанесенных методом электроискрового легирования, обсуждали влияние разупрочненного слоя между покрытием и основой на пластичность и прочность таких композиций. В обоих случаях было показано, что наличие переходных слоев зачастую позволяет снизить уровень локализации деформации в местах образования трещин в покрытии за счет формирования диссипативных структур в виде мезополос пластической деформации. Первой работой, в которой анализировали влияние геометрии границы раздела на характер растрескивания и формирования мезоструктуры в подложке при растяжении, была статья [14]. Ее продолжением стала работа [15], в которой оценивали характер растрескивания боридных слоев различной толщины, между которыми и подложкой был сформирован подслой, благодаря которому при нагружении игольчатый профиль границы раздела «вырождался» в плоский.
Нагружение поверхностно упрочненных композиций в условиях сжатия является более близким к реальным условиям эксплуатации, поскольку нагружение образца уже не является полностью однородным по всей длине рабочей части, что также определяется различием напряженно-деформированного состояния вблизи «захватов» и в середине образца [16]. Кроме того, при растяжении в нагруженном образце ведущую роль играют нормальные напряжения (при растяжении образцов с покрытиями в последних возникают поперечные трещины), в то время как в условиях сжатия определяющими являются максимальные касательные напряжения. По этой причине представляется весьма актуальным исследование поведения композиций «покрытие - основа» с различным профилем границы раздела в условиях деформации сжатием.
Исследованию поведения поверхностно упрочненных композиций в условиях сжатия было посвящено значительно меньшее количество работ. Среди них, прежде всего, следует отметить статью [17], в которой
был сформулирован важный принцип физической мезо-механики об определяющем влиянии объема материала, одновременно вовлеченного в сопротивление пластическому деформированию, на напряжение течения всей композиции. При этом было показано, что формирование полос локализованной пластической деформации может исключать из сопротивления пластическому деформированию большую часть образца, что, в свою очередь, может существенно снижать уровень внешнего деформирующего напряжения. В литературе также описаны результаты испытаний на статическое сжатие композиций с газотермическими покрытиями [18], а также оплавленными газотермическими покрытиями, имеющими свойства, близкие к свойствам покрытий, нанесенных методом электронно-лучевой наплавки [19]. В работе [19] было показано, что в условиях сжатия определяющую роль играют макроконцентраторы напряжений, возникающие на «захватах», т.е. в месте приложения к образцу нагрузки. При этом значительное различие характера и механизмов пластической деформации в покрытии и основе обусловливает возникновение в газотермическом покрытии единственной поперечной сквозной трещины в области максимальной кривизны образца, возникающей вследствие бочкообразного изменения формы [18]. В случае же оплавленных покрытий магистральная трещина распространяется от «захвата» в направлении максимальных касательных напряжений.
Весьма интересным представляется результат, касающийся характера растрескивания газотермического покрытия, оплавленного в условиях приложения мощных ультразвуковых колебаний [19]. За счет формирования локальных затеканий материала покрытия в подложку граница раздела становится неплоской. Данный факт, а также сформировавшийся между покрытием и основой переходный слой определили при сжатии диспергирование макроконцентраторов напряжений «на захватах» за счет создания большого количества локальных мезоконцентраторов. В результате вместо одной магистральной трещины в покрытии формировалась система тонких несквозных трещин [19]. В боридных упрочняющих слоях с игольчатой структурой данный эффект должен проявляться в большей степени, поэтому изучение их поведения при сжатии представляет значительный интерес.
В данной работе ставилась задача исследовать влияние толщины и структуры упрочненного слоя, а также геометрии границы раздела на развитие пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при одноосном статическом сжатии борированных образцов конструкционных сталей 15Н3МА и Ст3. Ожидается, что наличие упрочненного слоя в значительной степени повысит сопротивление композиции пластической деформации, в то время как неплоская граница раздела приведет к диспергированию мезоконцентраторов на-
Фаза Fe2B
Подложка
Рис. 1. Распределение микротвердости в образце стали 15Н3МА с толщиной боридного слоя 100 мкм
пряжений, являющемуся следствием формирования большого количества мелких трещин в поверхностно упрочненном слое, что снизит влияние локализации деформации.
2. Материал и методика исследования
Образцы для испытаний были изготовлены в форме параллелепипеда размером 3х1.5х1.5 мм и после бо-рирования имели структуру и свойства, полностью аналогичные структуре и свойствам образцов, результаты испытаний которых на растяжение описаны в нашей работе [14]. Борированные слои имели толщину от 40 до 100 мкм. Испытания на сжатие проводились на испытательной машине «ИМАШ-2078» со скоростью 0.03 мм/мин. Для проведения эксперимента использовали реинфорсер, который представляет собой специальное устройство, предназначенное для преобразования растягивающих усилий в сжимающие [20]. Кривые течения также получали при испытании исследуемых композиций на гидравлической испытательной машине Schenck-Sinus-100.
Характер пластической деформации изучали с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC-1 [21]. Информацию о распределении деформации в образце получали путем обработки оптических изображений и построения картин распределения интенсивности скорости деформации аналогично методике, описанной в работе [22]. Исследование растрескивания боридных слоев проводили с использованием растрового электронного микроскопа TESLA BS 300. Измерение микротвердости в упрочненном слое производили на микротвердомере ПМТ-3 с нагрузкой на пирамидку 50 и 100 г.
После обработки помимо боридных игл поверхностный слой на образцах стали Ст3 содержал также подслой, состоящий из мелкодисперсной перлитной фазы. Таким образом, в таком упрочненном слое можно выделить две выраженные фазовые границы: игольчатая между боридной и перлитной фазами и плоская между перлитной фазой и ферритно-перлитной матрицей. Упрочненные слои, сформированные на образцах стали 15Н3МА, в основном состоят из игл борида Fe2B, длина которых определяет толщину всего борированного слоя, и характеризуются игольчатой границей раздела с подложкой [14].
3. Результаты эксперимента
3.1. Исследование образцов стали 15Н3МА
Структура и свойства боридного и переходного слоев в значительной мере зависят от их толщины. В упрочненном слое толщиной 40 мкм на расстоянии от поверхности до 15 мкм присутствует только боридная фаза с микротвердостью более 10 000 МПа. При дальнейшем удалении от поверхности между иглами боридной фазы выявляется дисперсная фаза с микротвердостью менее 8 000 МПа. На большем расстоянии от поверхности значение микротвердости составляет уже 2000-4000 МПа. При толщине упрочненного слоя 100 мкм величина «сплошного» боридного слоя увеличивается до 60 мкм. Распределение микротвердости в поверхностно упрочненных образцах стали 15Н3МА с боридным слоем толщиной 100 мкм представлено на рис. 1.
На рис. 2 приведены кривые течения неупрочненно-го образца стали 15Н3МА и образцов с различной толщиной упрочненного слоя. Необходимо отметить следующие особенности приведенных графиков. Во-первых, значительное повышение предела текучести образца с толщиной борированного слоя 40 мкм по сравнению с неупрочненным (более чем на 250 МПа, что составляет ~45 %). Во-вторых, наличие на кривой для
1000
го
[=
Q)
*
ГО
X
600
200
.
1 ^
3
. 1 I 1 . i . i . i .
20 40
Относительная деформация в, %
60
Рис. 2. Кривые течения образцов стали 15Н3МА: неупрочненный (1); образец с боридным слоем толщиной 40 (2) и 100 мкм (3)
Рис. 3. Оптическое изображение боковой грани образца стали 15Н3МА без покрытия (а) и с боридным слоем толщиной 100 мкм (б); размер изображения: 2700х 1 550 (а); 2550х 1 550 мкм (б); 8 = 10 (а); 15 % (б)
этого же образца участка (при 8 = 3-5 %), на котором значение напряжения течения несколько уменьшается. В-третьих, предел текучести образца с толщиной покрытия 100 мкм заметно ниже по сравнению с образцом с поверхностно упрочненным слоем толщиной 40 мкм. В-четвертых, на кривой для образца с покрытием толщиной 100 мкм имеется участок (при 8 = 1-3 %), характеризующийся значительным снижением напряжения течения (с 700 до ~600 МПа).
Наблюдение эволюции деформационного рельефа на поверхности боковой грани исследованных композиций позволило выявить следующие особенности деформирования образцов стали 15Н3МА. Характерным элементом деформационного рельефа, помимо зеренного, при испытании образцов стали 15Н3МА без покрытия являлись складки экструдированого материала, ориентированные в направлении, нормальном к направлению приложения внешней нагрузки, а также макрополосы, распространяющиеся от пластин нагружающего устройства в направлении максимальных касательных напряжений (на рис. 3, а показаны стрелками). При наличии на поверхности стальной матрицы упрочненного слоя толщиной 40 мкм на поверхности наблюдалось формирование складок в направлении, составляющем угол порядка 70-75° к оси нагружения (рис. 4, а). При увеличении толщины упрочненного слоя до 60 мкм складки были ориентированы под углом ~ 50-60° (рис. 5, а). При толщине упрочненного слоя 100 мкм преимущественным элементом деформационного рельефа становились макрополосы локализованной плас-
тической деформации, ориентированные в направлении максимальных касательных напряжений (рис. 3, б).
Формирование складок экструдированного материала на поверхности образцов стали 15Н3МА проявлялось не только на оптических изображениях, отражающих интегральную картину формирования деформационного рельефа, но и на полях векторов смещений, а также распределениях интенсивности скорости деформации (рис. 4, б, 5, в). Данный факт свидетельствует о том, что пластическая деформация в данных композициях развивается достаточно неоднородно (что определяется микроструктурой подложки, а также наличием и характером растрескивания боридных слоев).
Использование в качестве материала матрицы конструкционной стали 15Н3МА, имеющей перлитную структуру, обусловило при нагружении проникновение трещин из боридного слоя в матрицу. Данный факт, выявленный ранее при растяжении таких композиций, уже описывался в нашей работе [23]. Проведенный анализ оптических изображений поверхности боковой грани показал (см. рис. 4, а, 5, а), что глубина распространения трещин в матрицу не превышала по величине толщину боридного слоя. При толщине упрочненного слоя
Трещины в покрытии
Рис. 4. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца стали 15Н3МА с покрытием толщиной 40 мкм (а) и соответствующая картина распределения интенсивности скорости деформации (б), размер изображения: 840x630 мкм; 8 = 5 %
Рис. 5. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца стали 15Н3МА с покрытием толщиной 60 мкм (а), соответствующие поле векторов смещения (б) и картина распределения интенсивности скорости деформации (в), размер изображения: 840x630 мкм; 8= 15%
40 мкм трещины распространялись в матрицу на глубину порядка 20 мкм, а при толщине упрочненного слоя 100 мкм — на глубину до 80 мкм. Дальнейшее исследование характера разрушения боридных слоев различной толщины было проведено с помощью растрового электронного микроскопа.
На рис. 6 и 7 приведены РЭМ-изображения поверхностей покрытий различной толщины, а также схемы формоизменения композиций с «тонкими» и «толстыми» боридными слоями на поверхности. Из приведенных фотографий видно, что трещины развиваются пре-
имущественно в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений, т.е. под углом 45° к направлению приложения внешней нагрузки.
Особого внимания заслуживает результат, касающийся характера формоизменения образцов с различной толщиной боридного слоя на поверхности в условиях сжатия. В случае, когда упрочненный слой имел небольшую толщину (порядка 40-60 мкм), после нагружения образец приобретал бочкообразную форму (см. рис. 6, б). Однако в случае большей толщины упрочненного слоя (порядка 100 мкм и более) образец, изначально имевший форму параллелепипеда, в результате нагружения приобретал форму призмы (см. рис. 7, в). Анализ РЭМ-изображения поверхности покрытия данного образца показывает, что в самом начале нагружения в покрытии формируется магистральная трещина (рис. 7, а). Этому на кривой течения соответствует участок, характеризующийся уменьшением напряжения течения на ~ 100 МПа (в образцах с более тонким борид-ным слоем на этапе растрескивания покрытия напряжение течения также снижается, однако магистральная трещина не формируется и снижение уровня внешней нагрузки имеет незначительную величину (см. рис. 2)). При последующем нагружении покрытие, как и в предыдущем случае, оказывается расфрагментированным (рис. 7, б), что вызвано образованием в покрытии значительного количества трещин.
Рис. 6. РЭМ-изображение поверхности покрытия (а) и схема изменения формы (б) образца стали 15Н3МА с упрочненным слоем толщиной 40 мкм, деформированного в условиях сжатия; 8 = 50 %; размер изображения: 2 300 х 1 700 мкм
Рис. 7. РЭМ-изображения поверхности покрытия (а, б) и схема изменения формы образцов стали 15Н3МА с упрочненным слоем толщиной 100 мкм (в), деформированного в условиях сжатия; 8 = 10 (а); 50 % (б, в); размер изображения: 1500x2700 (а); 3 150 х 1480 мкм (б)
3.2. Исследование образцов стали Ст3
Проведенное измерение микротвердости для образца с покрытием толщиной 50 мкм показывает, что в упрочненном слое можно выделить «сплошной» борид-ный слой толщиной порядка 15-20 мкм, имеющий микротвердость боридной фазы порядка 13000 МПа, а также слой, представляющий собой дисперсную фазу (с микротвердостью 2000-8 000 МПа), толщина которого составляет ~30 мкм. Микротвердость материала сердцевины составляет 1 300 МПа.
На рис. 8 приведен график, иллюстрирующий распределение микротвердости в образцах стали Ст3 с толщиной боридного слоя 100 мкм. Для такого образца толщина «сплошного» боридного слоя с микротвердостью 13000 МПа составляет порядка 40-45 мкм, в то время как толщина слоя, содержащего дисперсную фазу с микротвердостью 4000-8000 МПа, составляет ~50 мкм (рис. 8).
На рис. 9 приведены кривые течения неупрочнен-ного и упрочненных образцов. Неупрочненный образец характеризуется невысоким пределом текучести, порядка 200 МПа. Сопоставление кривых течения для образов с различной толщиной боридного слоя показывает, что наличие покрытия толщиной 50 мкм не приводит к значительному увеличению предела текучести (а02 = = 230 МПа). Увеличение толщины покрытия до 80 мкм приводит к значительному увеличению механических
характеристик. Предел текучести повышается до 500 МПа (т.е. в 2.5 раза по сравнению с неупрочненным образцом). Дальнейшее возрастание толщины упрочненного слоя при нагружении приводит к снижению
Фаза FeoB
"^Подложка
Рис. 8. График распределения микротвердости для поверхностно упрочненных образцов стали Ст3 с толщиной упрочненного слоя 100 мкм
___I___I__I___I___I__I___I__I___I___I__I___
0 20 40 60
Относительная деформация в, %
Рис. 9. Кривые течения образцов стали Ст3, испытанных в условиях сжатия: неупрочненный (1); с упрочненным слоем толщиной 50 мкм (2), с упрочненным слоем толщиной 80 мкм (3); с упрочненным слоем толщиной 100 мкм (4)
прочностных характеристик: предел текучести образца с толщиной покрытия 100 мкм заметно снижается по сравнению с пределом текучести образца с покрытием толщиной 80 мкм.
Наблюдение за эволюцией деформационного рельефа на боковой грани исследовавшихся композиций показало, что при нагружении образцов с самого начала пластического течения наблюдалось растрескивание упрочненного слоя. При толщине покрытия менее 100 мкм, как и при деформировании таких образцов в условиях растяжения [14], наблюдали распространение полосы Людерса. Это определяло возникновение трещин в покрытии, расположенных друг от друга примерно на одинаковом расстоянии, а деформационный рельеф на боковых гранях был сформирован достаточно однородно (рис. 10, а). Тем не менее, в образце с толщиной боридного слоя 80 мкм около места приложения к образцу сжимающего напряжения наблюдали формирование треугольной области с менее выраженным деформационным рельефом (рис. 10, б). Данный факт связан со «сдерживающим» действием захвата и подробно описан в литературе [16].
Характерно, что по мере увеличения толщины упрочненного слоя среднее расстояние между трещинами возрастало. Данный факт также подтверждается и картинами распределения деформации в исследовавшихся образцах на этапе растрескивания покрытий. Анализ картин распределения интенсивности скорости деформации показал, что возникновение трещин в покрытии обусловливает локализацию деформации в нижележащем материале основы: при этом расстояние между трещинами соответствует расстоянию между максимумами анализируемого параметра (рис. 11, в, 12, в).
В то же время, в образцах с толстыми покрытиями (100 мкм и больше) распространения полосы Людерса
не наблюдалось, о чем также свидетельствует характер деформационного рельефа (рис. 13). Трещины в покрытии формировались также последовательно. При возникновении новой трещины наблюдалось распространение макрополосы локализованной деформации, завершающееся возникновением трещины на противоположной грани (рис. 13). Значительная степень локализации деформации, связанная с преимущественным развитием пластической деформации в макрополосах, проявляется и на кривой течения (рис. 9, кривая 4): этапу растрескивания покрытия (е = 1-4 %) соответствует участок с уменьшающимся значением напряжения течения. Подобное поведение демонстрирует только кривая течения для образца с толстым боридным слоем.
Исследование характера разрушения покрытий, как и в предыдущем разделе, проводили путем анализа РЭМ-изображений поверхности покрытий (рис. 14), полученных после испытаний на сжатие. В отличие от образцов стали 15Н3МА, боридное покрытие на поверхности которых, несмотря на различие в толщине, растрескивалось схожим образом, характер растрескивания боридных слоев на поверхности стали Ст3 в значительной степени зависит от их толщины. Деформирование образцов с боридным слоем толщиной 50 мкм приводит к формированию в нем большого количества мелких фрагментов (рис. 14, а). С увеличением толщины покрытия размеры фрагментов боридного слоя увеличиваются, а количество трещин, которые становятся более протяженными, уменьшается (рис. 14, б). Растрескивание боридного слоя толщиной 100 мкм характеризуется формированием нескольких магистральных трещин, при этом размер фрагментов имеет максимальное значение по сравнению с покрытиями меньшей толщины (рис. 14, в).
Следует также отметить, что независимо от толщины покрытия, формоизменение образцов стали Ст3 в процессе нагружения проходило по схеме, приведенной на рис. 6, б.
Рис. 10. Оптические изображения боковых граней образцов после испытания. Толщина упрочненного слоя: 50 (а); 80 мкм (б); е = 50%; размер изображения: 2100x380 (а); 2100 х 1 500 мкм (б)
--------------------------------------------------------------С-
- . г ; - 1
Рис. 11. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца стали Ст3 с покрытием толщиной 50 мкм (а); соответствующие поле векторов смещения (б) и картина распределения интенсивности скорости деформации (в); е = 4 %; размер изображения: 840x630 мкм
4. Обсуждение результатов
Анализ кривых течения для композиций на основе стали Ст3 показывает, что с точки зрения прочностных характеристик наличие тонких (40 мкм и менее) покрытий не приводит к значительному повышению прочностных характеристик, в то время как наличие толстых (100 мкм и более) покрытий может приводить даже к снижению первых. Данный результат может быть достаточно хорошо описан в рамках принципа физической мезомеханики, учитывающего объем материала, одновременно вовлеченного в сопротивление пластическому деформированию (см. выше во Введении). Однако в
Рис. 12. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца стали Ст3 с покрытием толщиной 80 мкм (а); соответствующие поле векторов смещения (б) и картина распределения интенсивности скорости деформации (в); е = 5 %; размер изображения: 840x630 мкм
отличие от результатов, описанных в работе [17], для стали Ст3 объем материала, вовлеченного в пластическое деформирование, в данном случае определялся фактом прохождения через образец полосы Людерса. Наличие покрытия толщиной 100 мкм (и более) сдерживало распространение полосы Людерса, в результате деформация локализованно развивалась только в макрополосах (см. рис. 13), что и приводило к снижению напряжения течения до уровня, соответствующего уровню напряжений в образце без покрытия (рис. 9).
Развитие деформации в образцах стали 15Н3МА носило другой характер, что связано с меньшей пластич-
Рис. 13. Металлографическое изображение боковой грани образца с толщиной упрочненного слоя 100 мкм после испытания, размер изображения: 2400x1 500 мкм; е = 50 %
ностью данного материала. Подтверждением этому служит формирование в данных образцах системы складок, являвшихся поперечными в случае испытания образцов без покрытия (см. рис. 3, а) и изменявших свою ориентацию до угла ~50-60° в случае наличия более «толстого» покрытия. Таким образом, формирование элементов деформационного рельефа мезомасштабного уровня в поверхностно неупрочненном образце свидетельствует о меньшей эффективности дислокационной релаксации, что должно проявляться и в меньшей релаксационной эффективности полос локализованной деформации, распространяющихся от трещин в покрытии. (Следует отметить, что в этом случае полосы локализованной деформации в явном виде и не формируются. Данный факт определяется схемой нагружения образцов, а также внутренней структурой легированного материала матрицы.) В результате, образование в толстом покрытии (—100 мкм) сплошной поперечной трещины (рис. 7, а) приводит не только к значительной локализации дефор-
мации в образце и уменьшению напряжения течения ниже уровня для образца без покрытия (см. рис. 2), но качественно изменяет характер формоизменения образца от бочкообразного к трапециевидному (рис. 7, в).
Более детального обсуждения также заслуживает влияние геометрии границы раздела «покрытие - основа» на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне. В случае использования в качестве материала матрицы стали 15Н3МА характер фрагментации покрытия независимо от его толщины после испытаний был достаточно схож (см. рис. 6, а и 7, б). В то же время, ориентация складок в подложке значительно изменялась при увеличении толщины бо-ридного слоя на поверхности (см. рис. 4, а и 5, а). Данный факт, по всей видимости, связан с возникновением концентраторов напряжений на границе раздела «покрытие - основа». Игольчатая структура покрытия обусловливает возникновение значительного количества взаимно компенсирующих друг друга мезоконцентра-торов напряжений [24], поэтому покрытие растрескивается достаточно мелко. При увеличении толщины покрытия его структура становится «менее игольчатой» и воспринимается нижележащим материалом подложки как «единый толстый слой». В результате, складки, формирующиеся в подложке (рис. 3, б), приобретают вид макрополос, ориентированных в направлении максимальных касательных напряжений.
В композициях на основе стали Ст3 граница раздела имеет более сложное строение, при этом определяющее значение имеет, все-таки, граница раздела между подложкой и промежуточным перлитным подслоем (как это
Рис. 14. РЭМ-изображения поверхностно упрочненных образцов с различной толщиной покрытия: 50 (а); 80 (б); 100 мкм (в) размер изображения: 2400x1600 (а); 1 500x2300 (б);
2 400 х 1 500 мкм (в); е = 50 (а, в); 20 % (б)
было показано в наших предыдущих исследованиях при испытаниях на растяжение [14, 15]). Плоский профиль границы раздела обусловливает различие в характере фрагментации покрытия при нагружении за счет формирования меньшего количества мезоконцентраторов напряжений большей мощности по мере увеличения толщины покрытия. Таким образом, в тонком покрытии формируется большое количество мелких фрагментов, границы которых определяются трещинами, распространяющимися в направлении максимальных касательных напряжений (при наблюдении образца со стороны покрытия), в то время как в толстом боридном слое образуется несколько макрофрагментов, границы которых определяются макротрещинами в покрытии (см. рис. 14). Последний результат связан с увеличением влияния базовых концентраторов напряжений, действующих в месте приложения к образцу с покрытием, имеющему плоскую границу раздела, сжимающей нагрузки [25]. Данный факт был также подтвержден в ходе численного моделирования процессов деформации на мезоуровне в образцах с оплавленными газотермическими покрытиями при сжатии [19].
Следует также отметить и различие в характере развития деформации в исследовавшихся композициях при испытании по схеме «растяжение» и «сжатие». При испытаниях на растяжение трещины в покрытии формируются по нормали к направлению приложения нагрузки. При этом возникновение трещины, как правило, сопровождается формированием в подложке мезополос локализованной деформации, распространяющихся по направлению максимальных касательных напряжений
[9]. Для стали 15Н3МА при растяжении увеличение толщины боридного слоя от 50 до 100 мкм обусловливало снижение как пластичности, так и прочности [14]. Данный факт был связан с действием трещин в покрытии как структурных надрезов, а также меньшей релаксационной способностью матрицы, имеющей перлитную структуру, что проявлялось в отсутствии выраженных сопряженных мезополос локализованной деформации. Для стали Ст3 характер изменения пластичности и прочности композиций с толщиной покрытия от 60 до 100 мкм был практически подобным, за исключением образца с боридным слоем 70 мкм. В последнем прочностные характеристики не ухудшались, а также наблюдалось повышение пластичности [14]. Данный факт был связан с эффективной релаксацией концентраторов напряжений, действующих в вершинах трещин в покрытии, за счет формирования мезоструктуры, имеющей фрактальный характер, а также ее равномерным формированием по всей длине рабочей части образца [26]. Таким образом, пластичность материала подложки и возможность формирования в нем эффективных диссипативных мезоструктур являются весьма важными факторами, определяющими характер деформаци-
онного поведения образца с растрескавшимся покрытием.
При сжатии, как уже отмечалось выше, определяющую роль играют максимальные касательные напряжения. Таким образом, формирование трещин в тонком покрытии не приводит к снижению напряжения течения. Трещина же в толстом покрытии при сжатии становится фактически макротрещиной (магистральной), что определяется направлением распространения трещин (максимальные касательные напряжения), а также размерами образца (отношение длины образца к его толщине должно быть 1.5-2). Таким образом, при сжатии композиций по мере увеличения толщины покрытия роль локализации деформации, в случае возникновения трещины, значительно повышается. В то же время, при сжатии образцов с тонкими покрытиями последние должны по закону аддитивности приводить к повышению напряжения течения.
В этой связи весьма важным представляется факт выявления определенной толщины боридного слоя на поверхности подложек обоих типов, определяющей максимальное повышение прочностных характеристик. Отметим, что для испытаний в условиях трения и изнашивания предварительно цементированных борирован-ных сталей также была выявлена «оптимальная» толщина покрытия, обеспечивающая максимальное увеличение ресурса работы [3, 4, 27]. Термин «оптимальная» был использован в работе [27] применительно к структуре боридного слоя. Такая структура значительно снижала количество выкрашивающихся фрагментов борид-ного покрытия при испытании в условиях трения.
Безусловно, характер нагружения, эволюции и деградации структуры боридных слоев (особенно поверхностных слоев, находящихся в трибоконтакте) и матрицы значительно отличался от скорее модельного нагружения растяжением и сжатием. Тем не менее, если учесть что поведение композиций в реальных условиях нагружения определяется суперпозицией различных факторов, среди которых важную роль играют сжимающие и растягивающие напряжения, действующие как на поверхность покрытия, так и возникающие на границе раздела, можно сформулировать определенные рекомендации по выбору толщины покрытия, обеспечивающей максимальное увеличение прочностных характеристик.
Таким образом, при сжатии композиции с пластичной матрицей (типа малоуглеродистой стали Ст3) максимальное увеличение напряжения течения обеспечивает покрытие толщиной порядка —70 мкм. Меньшая толщина слоя дает меньший вклад в аддитивную прочность композиции, а растрескивание более толстого покрытия приводит к значительной локализации деформации в макрополосах. Для композиции на основе более прочной матрицы (типа легированной стали 15Н3МА)
более эффективно использование более тонких борид-ных слоев (толщиной около 40 мкм), поскольку образование трещин в более толстых слоях за счет меньшей аккомодационной способности матрицы приводит к повышению роли локализации и снижению напряжения течения. Выявленная толщина боридного слоя в определенной степени совпадает с данными, полученными в работах [4, 27] для испытаний борированных сталей в условиях трения и изнашивания.
Кроме того, при формировании боридных слоев, имеющих оптимальную структуру, в работе [27] было указано на необходимость наличия переходного слоя, образующегося в процессе предварительной цементации. Указанная структурная особенность, полученные в данной работе результаты, а также данные предварительных испытаний на сжатие образцов с подобным двухслойным покрытием позволяют рекомендовать их для использования в тяжелых условиях нагружения, прежде всего с точки зрения диспергирования опасных концентраторов напряжений. Исследованию данного вопроса будет посвящена наша следующая работа.
5. Заключение
Распространение полосы Людерса в образцах с боридными покрытиями толщиной до 100 мкм и отсутствие данного эффекта в образцах стали Ст3 с толстыми покрытиями значительно изменяет объем образца, вовлеченного в сопротивление пластическому деформированию, что, в свою очередь, значительно сказывается на уровне напряжения течения.
Меньшая релаксационная способность подложки из стали 15Н3МА приводит при сжатии к образованию магистральной трещины в толстом боридном слое и к смене характера формоизменения с бочкообразного на призматический.
Плоский профиль границы раздела «поверхностно упрочненный слой - матрица» обусловливает при нагружении увеличение размера фрагментов растрескавшегося покрытия по мере увеличения толщины последнего. Для борированных образцов стали 15Н3МА характер растрескивания зависит от толщины боридного слоя в значительно меньшей степени.
Для композиций двух видов «конструкционная сталь - боридный упрочняющий слой» выявлены толщины, обеспечивающие при сжатии максимальное увеличение прочностных характеристик. Полученные результаты совпадают с литературными данными о толщине боридных слоев, имеющих «оптимальную» структуру.
Благодарности
Работа была выполнена в рамках гранта Президента РФ поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина «Физическая мезомеханика наномате-
риалов, тонких пленок и конструкционных материалов с наноструктурированным поверхностным слоем» (Проект НШ-2324.2003.1).
Литература
1. Sizova O.V, KolubaevA.V. Einflup der Struktur von Borid-Schutzsc-hichten auf Reibung und Gleitverschleip // Tribologie-Fachtagung 1996, Reibung, Schwierung und Verschleip, 1996. - Gottingen, 1996.- Vort.27/1.
2. Колубаев А.В., Тарасов С.Ю., Трусова Г.В., Сизова О.В. Структура и свойства однофазных боридных покрытий // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1994. - № 7. - С. 49-51.
3. Колубаев А.В., Ковешников В.И., Тарасов С.Ю., Трусова Г.В., Сизова О.В. Применение износостойких боридных покрытий в узлах трения // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1991. - № 4. - С. 4648.
4. Колубаев А.В., Трусова Г.В., Тарасов С.Ю., Сизова О.В. Особенности структуры и триботехнические свойства боридных покрытий // Материалы Международного симпозиума Триболог-10М-Slavyantribo-1, Рыбинск-Москва, 1993. - С. 86-88.
5. Тарасов С.Ю., Трусова Г.В., Колубаев А.В., Сизова О.В. Структурные особенности боридных покрытий триботехнического назначения // МиТОМ. - 1995. - № 6. - С. 35-38.
6. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
7. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
8. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
9. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностей упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
10. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А., Овечкин Б.Б., Молчанова И.Ю. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно-упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 6. - C. 63-69.
11. Панин С.В., Смолин И.Ю., Балохонов PP. и др. Мезомеханика границы раздела в материалах с поверхностным упрочнением и покрытиями // Изв. вузов. Физика. - 1999. - № 3. - C. 4-24.
12. Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
13. Панин С.В., Кашин О.А., ШаркеевЮ.П. Изучение процессов пластической деформации на мезомасштабном уровне инструментальной стали, поверхностно упрочненной методом электроискрового легирования // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. - С. 75-85.
14. Панин С.В., Ковалъ А.В., Трусова Г.В., Сизова О.В., Почивалов Ю.И. Изучение влияния геометрии и структуры границы раздела на характер развития деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей // Физ. мезо-мех. - 2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
15. Панин С.В., Ковалъ А.В., Почивалов Ю.И. Особенности разрушения образцов малоуглеродистой стали с боридными слоями различной толщины при одноосном статическом растяжении // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 4. - С. 85-95.
16. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. - Томск: Красное знамя, 1941. - Т. 2. - 769 с.
17. ПанинВ.Е., Слосман А.И., АнтипинаН.А., Литвиненко А.В. Влияние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали. // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 105-110.
18. Витязъ П.А., КлименовВ.А., Панин С.В., Нехорошков О.Н., Бело-церковский М.А., КовалевскаяЖ.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.
19. Клименов В.А., Панин С.В., Балохонов Р.Р., Нехорошков О.Н., Кузъмин 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 2. - С. 99-110.
20. Панин С.В., Нойманн П., Байбулатов Ш.А. Исследование развития деформации на мезоуровне интерметаллического сплава №63^37 при сжатии // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 7582.
21. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Парфенов А.В., Не-руш Г.В., Панин С.В. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезоме-ханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.
22. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Эволюция деформированного состояния в зоне надреза при растяжении поликристаллов в мартенситном состоянии // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 5. - С. 83-90.
23. Ковалъ А.В., Панин С.В., Трусова Г.В. Влияние поверхностного слоя, упрочненного методом борирования, на пластическую деформацию на мезоуровне стали 15Н3МА // Сборник научных статей, посвященный 100-летию машиностроительного факультета ТПУ. - Томск: ТПУ, 2000. - C. 91-100.
24. Balokhonov R.R., Panin S.V, Romanova V.A., Makarov P.V Simulation of stress concentration and localized plastic flow in coated materials on the mesolevel // Proc. Int. Conf. on New Challenges in Mesome-chanics, Aalborg University, Denmark, 26-30 August 2002. - V.2.-P. 587-590.
25. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеха-ники // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
26. Koval A. V, Panin S. V. Formation of fractal mesostructure in structural steels with homogeneous and heterogeneous hardening layers under tension // Proc. Int. Conf. «Mesomechanics’2000». - Beijing: Tsinghua University Press, 2000. - V. 2. - P. 585-593.
27. Тарасов С.Ю. Структура поверхностных слоев трения и упрочнение высоконагруженных триботехнических контактов диффузионным борированием. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 1994. - 20 с.
Influence of the thickness and structure of boride surface layers on plastic deformation and fracture of structural steel specimens in compression
S.V. Panin, A.V. Koval1, Yu.I. Pochivalov, A.Yu. Tkachenko1, and A.V. Ivanenko1
Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
Using the television-optical measuring complex TOMSC and scanning electron microscopy we investigated plastic deformation and fracture of specimens surface-hardened by the method of diffusion boriding at the meso- and macrolevels. For compositions based on low-carbon steel St3 and structural steel 15Ni3MoN in static compression we estimated the influence of the boride layer thickness as well as of the shape of the “hardening layer - matrix” interface profile on their deformation behavior. The performed analysis of flow curves, deformation relief patterns and fractured coating surfaces allowed us to substantiate optimum thicknesses of the boride layer, which provide maximum strength characteristics of the surface-hardened material in compression.
