CC BY
57
Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями и поверхностным упрочнением
С.В. Панин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC проведены систематические исследования деформационного поведения на мезоуровне материалов с покрытиями и поверхностным упрочнением при различных схемах приложения нагрузки. Иллюстрируются характер возникновения и релаксации мезоконцентраторов напряжений и их влияние на макромеха-нические характеристики деформируемых поверхностно упрочненных материалов.
Mesoscopic regularities of plastic deformation and fracture of coated and surface-hardened materials
S.V. Panin
Using the television-optical measuring complex TOMSC the deformation behavior of coated and surface-hardened materials are systematically investigated at the mesolevel for different loading schemes. Consideration are given to the pattern of stress mesoconcentrator formation and relaxation and to their influence on macroscopic mechanical characteristics of surface-hardened materials under deformation.
Согласно представлениям физической мезомехани-ки считается, что дислокации (деформационные дефекты) зарождаются на микроконцентраторах напряжений на поверхности. Нанесение упрочняющих покрытий или поверхностное упрочнение материала вводит контролируемые мезоконцентраторы напряжений нескольких типов:
1) квазипериодически расположенные мезоконцент-раторы напряжений, возникающие на границе раздела между покрытием и основой вследствие несовместности их упругих деформаций;
2) квазипериодически расположенные трещины в упрочняющем покрытии, концентрирующие напряжения как надрезы на образце;
3) стохастически распределенные мезоконцентрато-ры напряжений в условиях игольчатой или зубчатой границы раздела, обработки материала ультразвуком при нанесении покрытия и др.
Важность учета локализации пластического течения на мезомасштабных уровнях осознана в механике сплошной среды: в последние годы появилась целая серия работ в этой области, обзор которых приведен в [1]. Однако для корректного обоснования моделей локализованного пластического течения на мезомасштабных
уровнях в различных материалах и при различных схемах нагружения необходимы систематические экспериментальные исследования в контролируемых условиях. Такие условия естественным образом выполняются при деформации материалов с упрочняющими покрытиями или поверхностно упрочненными слоями. Исследование подобных материалов представляет большой практический интерес, поскольку подавляющее большинство современных конструкционных и инструментальных материалов производится с упрочненными рабочими поверхностями или нанесенными покрытиями (упрочняющими, защитными или функциональными).
Актуальность рассмотрения процессов локализации подчеркивается и в рамках механики разрушения. В работе [2] указано, что понимание, а следовательно, и корректное описание проблем разрушения может быть достигнуто только в случае учета процессов накопления повреждаемости, обеспечиваемых за счет локализованного развития пластической деформации в иерархии масштабных уровней. В работе [3] один из классиков современной механики разрушения проф. Дж. Си, основываясь на энергетическом подходе к описанию разрушения, указал на необходимость учета деформационных процессов в иерархии масштабных уровней дефор-
© Панин С.В., 2004
мации. При этом наиболее актуальными становятся условия нагружения, когда время наступления разрушения может изменяться на несколько порядков. Особенную важность многоуровневость развития деформации приобретает в условиях локализованного приложения нагрузок, усталостного разрушения и т.п. При этом корректное описание перехода процесса нарушения сплошности от меньшего масштабного уровня к большему возможно только при рассмотрении взаимосвязи локализованного пластического формоизменения и вызванного им разрушения.
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать ряд положений, касающихся закономерностей развития деформации и разрушения на мезо-масштабном уровне при различных схемах нагружения материалов с покрытиями.
1. При одноосном растяжении пластичного материала с упрочняющим покрытием (или упрочненным поверхностным слоем) развитие в растягиваемом образце сильного изгибающего момента в силу несовместности деформации в покрытии и основе приводит к возникновению зон концентрации упругих напряжений (концентраторов напряжений). Они обусловливают развитие в покрытии трещин и распространение в объеме материала мезополос локализованной деформации по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 1). Перекрытие сопряженных мезополос приводит к фрагментации всего объема материала на мезоуровне. Развитие деформации по этому механизму инициируется у головки образца и распространяется фронтально вдоль оси нагружения как автоволновой процесс.
2. Характер развития в покрытии (поверхностном упрочняющем слое) трещин и фрагментированной ме-зоструктуры в объеме материала существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие (упрочняющей поверхностный слой) - подложка». Плоская граница раздела обусловливает развитие в покрытии (упрочняющем поверхностном слое) квазипериодически расположенных трещин (рис. 2, в, г). Расстояние между трещинами и их глубина возрастают с увеличением толщины покрытия. В общем случае плоская граница раз-
Рис. 1. Поле векторов смещений (а) и оптическое изображение (б) в образце с наплавленным покрытием до возникновения (а) и после образования трещины (б); 8 = 4.5 %; Дг = 0.3 %. Размер изображения 1685x1260 мкм
ff®^
Г
" / 4 ■ Ч 1 Т^
■ v
[б]
' f Г - ! v
f^HiMÉ
■ , шж
щт
IkT
-у --
I \л Ш S» W
Рис. 2. РЭМ-изображения покрытия разрушенного образца стали
15Н3МА (а) с боридным слоем 40 мкм и стали Ст3 с боридным слоем
100 мкм и переходным перлитным слоем (в). Размер изображения
5 300x4000 (а); 2200х 1 700 мкм (в); соответствующие схемы структуры покрытий (б, г)
дела ««покрытие (упрочняющий поверхностный слой) -подложка» является нежелательной, так как сильно снижает пластичность материала и особенно его усталостную прочность. Игольчатый и зубчатый профили границы раздела «покрытие - матрица» при нагружении обусловливают стохастическое распределение мезокон-центраторов напряжений на границе раздела и формирование при нагружении мелких поперечных трещин конечной длины (рис. 2, а, б). Такая геометрия границы раздела всегда предпочтительна.
3. Образование большого количества поперечных трещин в упрочняющем легированном слое предотвращает локализацию деформации и обеспечивает равномерный характер развития пластической деформации в целом по образцу. Формирование развитой мезострук-туры в пластичной подложке из малоуглеродистой стали, имеющей на поверхности боридный слой и переходный перлитный подслой, предотвращает возникновение мощного макроконцентратора напряжений и последующую локализацию и может приводить к повышению относительного удлинения поверхностно упрочненных образцов по сравнению с неупрочненными. Возникновение под покрытием разупрочненного слоя при нагружении обусловливает дополнительную локализацию деформации (рис. 3), завершающуюся образованием трещин, что приводит к снижению пластичности поверхностно упрочненного образца. Формирование трещин только в верхнем высокопрочном слое градиентного двухслойного покрытия не обусловливает разрушение образца. Более того, формирование в нижележащем слое и матрице полос локализованной деформации способствует эффективной релаксации мезокон-центраторов напряжений в вершинах трещин и не снижает пластичность по сравнению с поверхностно не-упрочененными образцами.
400 d, мкм
Рис. 3. Распределение микротвердости по нормали к границе раздела (а) и поле векторов смещений в образце с двухслойным электроискровым покрытием и разупрочненным подслоем; 8 = 2.5 %. Размер изображения 420x315 мкм
4. При сжатии композиций «износостойкое покрытие - основа» разрушение покрытий связано с различием величины сдвиговой деформации в сопрягаемых материалах. Большая пористость газопламенного покрытия обеспечивает более эффективную релаксацию концентраторов напряжений и обусловливает повышение пластичности образцов с таким покрытием. При сжатии образцов с упрочняющим покрытием разрушение последнего происходит квазихрупким сколом по диагонали, соединяющей грани его касания с плитами
Рис. 4. РЭМ-изображения поверхности покрытия на разрушенных образцах Ст3, не обработанных (а) и обработанных ультразвуком (б) в ходе оплавления газотермических покрытий; размер изображений 5 050x3 860 мкм
Рис. 5. Схема эволюции локализованной пластической деформации при распространении усталостной трещины в условиях знакопеременного изгиба (1—4) и ретроспективная картина к моменту разрушения образца (5); вид сбоку (а); трехмерное представление (б)
нагружающего устройства (рис. 4, а). При нанесении покрытия в условиях ультразвуковой обработки разрушение развивается по двум сопряженным диагоналям, что сопровождается возникновением в покрытии сетки мелких трещин (рис. 4, б). Механизм такого разрушения на мезоуровне при сжатии качественно подобен таковому при растяжении плоских образцов с упрочненной лицевой поверхностью. Объем материала, вовлеченного в сопротивление пластическому деформированию при сжатии образцов с растрескавшимся покрытием, влияет на уровень напряжения течения всей композиции. Развитие от макротрещин в покрытии макрополос локализованной деформации в подложке снижает напряжения течения независимо от пластичности подложки и геометрии границы раздела.
5. Критерий усталостного предразрушения: необходимым условием распространения через все сечение нагружаемого материала магистральной усталостной трещины является развитие пластической деформации во всей области так называемого ««пластического шарнира», ограниченной сопряженными макрополосами локализованного пластического течения. Накопления в этой области дефектной структуры обеспечивает протекание вихревой аккомодационной деформации на ме-зомасштабном уровне при распространении магистральной трещины на макромасштабном уровне (рис. 5).
6. При циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играет воз-
никновение зон концентрации напряжений и локализация процессов пластической деформации на границе раздела «покрытие - основа», где и происходит зарождение усталостной трещины, сопровождающееся последующим прорастанием трещины в подложку. При нагружении композиции с менее твердым покрытием преобладают упругопластические механизмы разрушения, что приводит к зарождению усталостной трещины на поверхности покрытия, ее замедленному трехстадий-ному росту в покрытии, а также задержке распространения трещины на границе раздела «покрытие - подложка».
7. Характер пластической деформации при трении на стадии установившегося изнашивания на микро- и мезомасштабных уровнях в приповерхностном слое не-упрочненных и поверхностно модифицированных образцов во многом подобен. Различная интенсивность изнашивания неимплантированных и имплантированных образцов на стадии установившегося изнашивания связана с различной интенсивностью развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в приповерхностном слое под контртелом во временном масштабе. Более раннее включение вихревого характера движения элементов мезоструктуры в приповерхностном слое под дорожкой трения приводит к более интенсивному развитию деформации на мезоуровне и износу образцов.
8. Локализация пластической деформации в приповерхностном слое толщиной несколько десятков микрометров образцов с поверхностно упрочненным слоем (покрытием) не сопровождается развитием пластического течения в нижележащих слоях. При уменьшении толщины высокодефектного приповерхностного слоя при его изнашивании и уносе с поверхности образца пластическое течение на мезомасштабном уровне развивается в приповерхностных слоях толщиной до нескольких сот микрометров. Относительно высокая пластичность материалов, подвергаемых трибонагружению, приводит к инициированию вихревого характера движения элементов мезоструктуры. Создание на поверхности упрочненного слоя задерживает включение ротационных мод деформации, вплоть до полного подавления в случае упрочненных слоев толщиной в десятки микрометров, что сказывается на характере разрушения и приводит к повышению износостойкости материала.
9. Напряженно-деформированное состояние на ме-зоуровне при трении и изнашивании композиций с за-
щитными покрытиями определяется двумя границами раздела: «контртело - покрытие» и «покрытие - подложка». Стадия приработки в композициях с покрытиями определяется суперпозицией релаксационных процессов, связанных с мезоконцентраторами напряжений на поверхности трения и границе раздела «покрытие -подложка». На стадии установившегося износа в трибо-системе с покрытием устанавливается квазистационарное состояние: мезоконцентраторы возникают и релак-сируют пластическими сдвигами в условиях квазистационарной мезосубструктуры в покрытии и подложке. В композиции с тонким покрытием квазистационарное состояние на границе раздела «покрытие - подложка» устанавливается быстрее, что обусловливает в такой композиции более короткую стадию приработки и менее интенсивный износ материала с покрытием.
10. Полученные результаты позволили сформулировать ряд рекомендаций по оптимизации режимов формирования покрытий. В частности, формирование покрытий с игольчатой или зубчатой структурой и переходным слоем обусловит повышение прочностных характеристик композиции (адгезионной, усталостной прочности), снизит уровень концентрации напряжений на внутренних границах раздела, а также снизит степень локализации деформации, вызванную действием трещин как структурного надреза. Кроме того, мелкое растрескивание покрытия как адгезионной, так и когезион-ной природы, а также наличие остаточной пористости обусловливают формирование большого количества мелких трещин, что, как правило, позволяет продолжить эксплуатацию детали с покрытием. Для композиций, предназначенных для эксплуатации в условиях переменного нагружения, более предпочтительны покрытия с меньшим градиентом механических свойств и меньшей склонностью к хрупкому разрушению при сохранении достаточной твердости рабочей поверхности покрытия.
Литература
1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
2. Баренблатт Г.И. Модель нелокального накопления повреждений // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - С. 85-92.
3. Cracking and scaling of magneto-electroelastic composite behaviour with implication of size and time / Eds. by G.C. Sih, S. Sakai, V.E. Pa-nin // Proceedings of the 5th Int. Conf. for Mesomechanics held in Tokyo, Japan, August 26-28, 2003. - P. 201-210.
