CC BY
64
Особенности разрушения образцов малоуглеродистой стали с боридными слоями различной толщины при одноосном статическом растяжении
С.В. Панин, A.B. Коваль1, Ю.И. Почивалов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
Проведено исследование характера разрушения покрытий на образцах малоуглеродистой стали, поверхностно упрочненных методом диффузионного борирования. Характер растрескивания боридных слоев изучали на разрушенных образцах с использованием растрового электронного микроскопа TESLA BS 300. Показаны причины различия процессов первичного и вторичного растрескивания в образцах с толстыми и тонкими боридными слоями в условиях одноосного статического растяжения. Анализ процессов растрескивания покрытий проведен в рамках концепции масштабных уровней концентраторов напряжений.
1. Введение
В последнее время все большее применение находят материалы с покрытиями и поверхностно упрочненными слоями. Подобный вид упрочнения конструкционных материалов позволяет увеличить срок их службы за счет повышения прочности, износо- и коррозионной стойкости.
Многочисленные работы, проводимые в последнее время в рамках методологии физической мезомеханики материалов, убедительно продемонстрировали, что при нагружении поверхностно упрочненных материалов на границе раздела между покрытием и подложкой возникают концентраторы напряжений мезомасштабного уровня [1, 2]. Их релаксация, как правило, происходит за счет разрушения упрочненного слоя [3-7]. Результаты экспериментальных исследований поведения стальных образцов, имеющих на поверхности хрупкий гомогенный ионно-азотированный слой с плоской границей раздела, показали, что при активном растяжении в нем возникает система квазипериодически расположенных поперечных трещин. При этом пространственный период расположения трещин был пропорционален толщине упрочненного слоя [3, 4].
В отличие от ионно-азотированных слоев покрытия, полученные методом диффузионного борирования, имеют игольчатую структуру и неплоскую границу раздела с подложкой [8]. При одноосном статическом растяжении борированных образцов стали 15Н3МА такой про-
филь границы раздела приводил к перераспределению мезоконцентраторов напряжений на ней, что, в свою очередь, обусловливало непериодическое растрескивание покрытия [9]. Среднее расстояние между мелкими трещинами конечной длины при этом также коррелировало с толщиной упрочненного слоя.
В то же время, характер растрескивания хрупких покрытий в условиях активного нагружения определяется не только профилем границы раздела. Важную роль играет также наличие переходных слоев между покрытием и матрицей. Так, исследование пластического течения инструментальной стали 9ХФМ, поверхностно упрочненной методом электроискрового легирования [6], показало, что одним из факторов, определяющих развитие деформации в поверхностно упрочненных композициях, является неоднородность покрытия по толщине и соответственно структуре. К основным факторам, оказывающим влияние на характер поведения образцов стали 9ХФМ с электроискровым покрытием, также можно отнести:
а) микроструктуру и состояние матрицы,
б) соотношение механических характеристик сопрягаемых материалов,
в) наличие в матрице разупрочненного (демпфирующего) слоя.
Возникновение разупрочненного слоя между покрытием и основой препятствовало быстрому разрушению образцов даже при образовании глубокой трещины в ле-
© Панин С.В., Коваль A.B., Почивалов Ю.И., 2002
гированном слое (покрытии) за счет развития в «демпфирующем» слое полос локализованной пластической деформации [6].
Представляет интерес проследить влияние структуры и толщины покрытий, а также наличия переходного слоя между покрытием и основой на характер распределения концентраторов напряжений, косвенную оценку которого можно получить при анализе поверхности растрескавшегося покрытия. В данной работе с использованием растрового электронного микроскопа исследовали характер разрушения композиций с упрочненными слоями, характеризующимися гетерогенной структурой и сложной геометрией границы раздела с основным материалом, а также переходным слоем, сглаживающим различие механических характеристик матрицы и покрытия. Такие упрочняющие слои были получены методом диффузионного борирования малоуглеродистой стали [9, 10]. Наличие подслоя кардинально меняло характер возникновения и релаксации концентраторов напряжений в области границы раздела, обусловленных развитием пластической деформации и растрескиванием покрытия.
2. Материал и методика исследования
Образцы для механических испытаний изготавливали из малоуглеродистой стали Ст3 в форме двусторонней плоской лопатки. Борирование проводили в порошковых смесях на основе карбида бора. В результате использования различных режимов обработки получали композиции с толщиной упрочненного слоя от 50 до 180 мкм. Испытания неупрочненных и поверхностно упрочненных образцов на одноосное статическое растяжение проводили на механической испытательной машине «ИМАШ-2078» со скоростью нагружения
0.03 мм/мин. Характер развития пластической деформации исследовали на боковых гранях рабочей части образцов с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса ТОМ^С-1 [11]. Результаты анализа полей векторов смещений были описаны более подробно в нашей предыдущей работе [10, 12]. Изуче-
ние характера растрескивания боридных слоев различной толщины проводили на плоской поверхности разрушенных образцов с использованием растрового электронного микроскопа TESLA BS 300.
Как было показано в работе [10], упрочненные слои, образующиеся на поверхности образцов, состоят из игл борида железа Fe2B (H^ = 13000 МПа). При большой толщине слоя (более 100 мкм), вследствие снижения на поверхности образцов концентрации ионов железа, над иглами Fe2B формируется фаза FeB, имеющая микротвердость H^ = 20 600 МПа (рис. 1). Также в процессе борирования под слоем Fe2B формируется переходный слой, состоящий из перлитной фазы с микротвердостью около 2250 МПа. Перлитная фаза полностью заполняет пространство между иглами Fe2B, формируя прослойку между слоем Fe2B и матрицей. Профиль границы раздела между перлитной прослойкой и матрицей близок к плоскому. Микротвердость матрицы малоуглеродистой стали составляет 1250 МПа.
3. Результаты эксперимента
3.1. Макрокартина деформации и растрескивания
Анализ кривых «напряжение - деформация», полученных и описанных в работе [10], показал, что развитие пластической деформации в исследованных поверхностно упрочненных образцах в значительной мере определяется толщиной покрытия. Характерной особенностью кривых течения является наличие площадки текучести при толщине боридного слоя менее 100 мкм и ее отсутствие в образцах с большей толщиной покрытия. На рис. 2 приведены зависимости, иллюстрирующие изменение механических характеристик поверхностно упрочненных образцов с увеличением толщины боридного слоя. При толщине последнего менее ~80 мкм наличие на поверхности пластичной матрицы хрупкого покрытия не приводит к уменьшению ни пластичности, ни прочности композиций. Более того, графики а 02 = f (8) и а пр = f (8) свидетельствуют о том, при практически неизменном пределе текучести предел
Рис. 1. Структура борированного слоя, полученного на поверхности образца стали Ст3: металлографический шлиф упрочненного слоя толщиной 100 мкм после цветного травления, х250 (а); схематическое изображение (б): 1 — фаза FeB; 2 — фаза Fe2B; 3 — перлитная фаза; 4 — ферритно-перлитная подложка [10]
Рис. 2. Графики зависимости предела текучести а0.2, предела прочности о пр, относительного удлинения 8, относительного сужения у и относительного сужения в шейке у ш исследованных образцов от толщины 8 боридного слоя
прочности композиций возрастает на величину ~ 40 МПа (~ 10 %). Относительное удлинение образцов по сравнению с неупрочненными увеличивается на 25 %. При толщине покрытия более 80 мкм значения всех механических характеристик значительно снижаются (рис. 2).
Проведенные оптико-телевизионные исследования показали, что растрескивание хрупкого боридного слоя начинается после достижения уровня напряжения, соответствующего пределу текучести композиции, чему на диаграмме нагружения исследовавшихся композиций соответствовало начало отклонения зависимости от линейного закона. При этом подобно результатам, представленным в работах [3, 4, 7], растрескивание можно разделить на первичное и вторичное. Первичное растрескивание покрытия наблюдалось на начальных этапах пластического течения, в то время как вторичное растрескивание имело место при значительных степенях деформации. Признаками, по которым, помимо степени деформации, разделяли первичное и вторичное растрескивание, являются расположение (ориентация относительно направления приложенной нагрузки), длина и визуально определяемая глубина трещин.
При активном растяжении образцов с тонким покрытием (80 мкм и меньше) первичное растрескивание покрытия начинается вблизи галтельных переходов «головка - рабочая часть образца» и развивается как фронтально распространяющийся скачкообразный процесс. Возникновение каждой новой трещины в покрытии (рис. 3, а, б) сопровождается локальным скачкообразным изменением деформационного рельефа в под-
трещина
Рис. 3. Локальный изгиб образца при первичном растрескивании покрытия (сверху) толщиной 60 мкм: оптические изображения боковой грани (а, б), соответствующее поле векторов смещений (в) и трехмерное распределение поворотной компоненты тензора дисторсии (г); рамкой выделена область локального распространения полосы Людерса; 8 = 0.8 %. х90
Рис. 4. Формирование мезообъема в форме трехгранной призмы (локальной зоны изгиба-кручения) в приповерхностном слое при возникновении первичной трещины (показана стрелкой) в упрочненном слое толщиной 100 мкм (сверху): оптическое изображение боковой грани (а) и соответствующее ему поле векторов смещений (б), 8 ~ 0.2 %, Д8 ~ 0.05 %. х 90
ложке. Область интенсивного формирования деформационного рельефа (полоса Людерса) ориентирована в направлении максимальных касательных напряжений, а ее ширина примерно соответствует периоду растрескивания покрытия. Полоса Людерса формируется по всей толщине образца, вызывая его локальный изгиб. Данный тезис подтверждается как результатами построения поля векторов смещений (рис. 3, в), так и картиной распределения поворотной компоненты тензора дисторсии (рис. 3, г). Более подробное описание подобного результата, полученного при исследовании образцов с односторонними покрытиями, нанесенными методом электронно-лучевой наплавки, приведено в статье [7].
При нагружении образцов с толщиной покрытия больше 80 мкм полоса Людерса в подложке не распространялась, однако трещины в покрытии, также как и в предыдущем случае, распространялись последовательно от галтельных переходов в направлении центра образца. Формирование каждой очередной трещины в покрытии (рис. 4, а) сопровождалось развитием слабо-выраженных полос локализованной деформации, отличающихся от полос, наблюдающихся в экспериментах с ионно-азотированными сталями [3, 4]. При этом одна из мезополос (на рис. 4, а обозначена цифрой 1) определяла правую границу формируемого мезообъема в виде трехгранной призмы, в то время как положение левой (второй) ее грани (равно как и период растрескивания) определялись толщиной покрытия (на рис. 4, а вторая мезополоса обозначена цифрой 2). Подобные процессы формирования деформационной мезоструктуры в виде системы трехгранных призм подробно исследовались в работах академика В.Е. Панина с соавторами, а механизмы данных процессов подробно описаны в статьях
[3, 4].
По мере увеличения степени деформации начинается вторичное растрескивание боридного слоя, в ходе
которого происходит разбиение первичных фрагментов покрытия на более мелкие. С целью более детального изучения процессов растрескивания был проведен анализ РЭМ-изображений фрагментов разрушенных образцов с различной толщиной покрытия (рис. 5).
Как видно из представленных РЭМ-изображений, процесс вторичного растрескивания для тонких (80 мкм и меньше) и толстых (более 80 мкм) упрочненных слоев качественно отличается. В первом случае вторичные трещины — тонкие, ориентированные не по нормали к направлению приложения нагрузки, образующиеся между первичными в виде «перемычек» (рис. 5, б, в). Во втором случае они разбивают фрагменты борирован-ного слоя, сформированные на начальных стадиях нагружения, на две или три части. В этом случае вторичные трещины являются поперечными и расположены параллельно первичным трещинам (рис. 5, г, Э). На рис. 6 приведены зависимости количества фрагментов от расстояния между трещинами в боридных слоях. Представленные зависимости позволяют выявить отличие процессов вторичного растрескивания для различных толщин покрытий в виде наличия на кривых для образцов с толстыми покрытиями двух максимумов. Последние соответствуют средним расстояниям между первичными и вторичными трещинами соответственно (рис. 6, линии 3, 4). Зависимости для образцов с тонкими слоями имеют по одному максимуму (рис. 6, линии 1, 2).
3.2. Особенности растрескивания покрытий различной толщины
После образования в покрытии толщиной 50 мкм системы поперечных и, как правило, прямолинейных трещин (рис. 5, б) фрагменты боридного слоя начинают дробиться на более мелкие части (рис. 7, а). Менее интенсивное «дробление» фрагментов покрытия происходит в областях, прилегающих к галтельным переходам
Рис. 5. РЭМ-изображения плоских граней разрушенных образцов с различной толщиной боридного слоя: схематическое изображение (а); 50 (б); 80 (в);100 (г); 180 мкм (д)
«головка - рабочая часть образца» (рис. 5, б, 7, а) и его ребрам (рис. 7, б), т.е. вторичное растрескивание происходит неодинаково по рабочей части. На представленном на рис. 7, б РЭМ-изображении отчетливо видно, что в результате вторичного растрескивания покрытие разбивается на множество мелких фрагментов, что наиболее сильно проявляется в шейке. Вторичные трещины при этом ориентированы не по нормали к направлению растяжения (рис. 5, б, 7, а).
При толщине покрытия 70-80 мкм процессы вторичного растрескивания, подобно предыдущему случаю, охватывают не всю рабочую часть образца. При этом, однако, вторичные трещины формируются в значительно меньшем количестве фрагментов покрытия, образовавшихся при первичном растрескивании (рис. 5, в). Более детальное рассмотрение РЭМ-изображений позволяет говорить о том, что вторичные трещины являются продольными, разбивающими уже сформировавшиеся фрагменты покрытия на более мелкие элементы (рис. 8). Однако в отличие от образцов с покрытием толщиной 50 мкм вторичные трещины даже в области шейки являются гораздо менее глубокими, чем первичные, что хорошо видно на приведенных изображениях (рис. 8, б). Очевидно, глубина первичных трещин определяется (соответствует) толщиной всего упрочненного слоя (боридного и переходного). Это подтверждается тем, что в раскрывшихся первичных трещинах (обозна-
чены цифрой 1 на рис. 8, б) видна деформированная пластичная матрица (бороздки). В то же время, механизм формирования вторичных трещин в тонких покрытиях, по всей видимости, отличается от механизма первичного растрескивания, о чем свидетельствует отсутствие внутри вторичных трещин признаков развития пластической деформации (на рис. 8, б обозначены цифрой 2).
Особо следует отметить следующий экспериментальный результат. На поверхности фрагментов хрупко-
50 230 410 590 770 950
Расстояние между трещинами с1, мкм
Рис. 6. Зависимость относительного количества фрагментов £ в покрытии от расстояния между трещинами для образцов с различной толщиной поверхностно упрочненного слоя: 50 (1); 80 (2); 100 (3); 180 мкм (4)
Рис. 7. РЭМ-изображения плоской грани поверхностно упрочненного образца с борированным слоем толщиной 50 мкм вблизи галтельного перехода (а) и в области шейки (б); цифрами 1 и 2 обозначены соответственно первичные и вторичные трещины
го боридного слоя толщиной 70 мкм наблюдалось формирование деформационного рельефа в виде системы параллельных складок, ориентированных в направлении приложенной нагрузки (на рис. 9, а показаны стрелками). В то же время, поверхность фрагментов бориро-ванного слоя, находящихся на значительном расстоянии от места разрушения, оставалась недеформированной (рис. 9, б). В образцах, имеющих тонкое покрытие толщиной 50 мкм, подобный эффект не наблюдался.
При растрескивании толстых боридных слоев (толщиной 100-180 мкм) образующиеся вторичные трещины являются, как правило, поперечными (распространяются по нормали к направлению приложения внешней нагрузки) (рис. 10). Вторичные трещины в упрочненном слое формируются параллельно первичным трещинам, однако они являются более тонкими и не всегда распространяются через всю ширину покрытия (рис. 10, б).
4. Обсуждение результатов
Анализ полученных результатов, и, прежде всего, величин относительного удлинения и сужения, в том числе в шейке, позволяет сделать вывод о том, что для композиций с тонкими покрытиями характер вторич-
ного растрескивания упрочненного слоя определяется значительным формоизменением рабочей части образца, что наиболее выражено проявляется в шейке. Подобный эффект уменьшения поперечного сечения и прогиба граней образца становится очевидным при анализе РЭМ-изображений при наблюдении образца со стороны поверхности разрушения (рис. 11, б). Этот результат можно представить и схематически (рис. 11, а). Таким образом, причиной вторичного растрескивания в образцах с тонкими покрытиями можно считать действие на покрытие локальных сжимающих напряжений, возникающих в результате формоизменения подложки, претерпевающей вследствие малого модуля упругости большие поперечные деформации. Учитывая то, что размер зерна подложки имеет тот же порядок, что и толщина боридного слоя, можно предположить, что на силы Пуассона накладывается суперпозиция напряжений, обусловленных особенностями геометрии границы раздела «боридный слой - подложка». Очевидно, что в данном случае на границе раздела возникают мощные раз-ориентированные поворотные моменты, приводящие к разворотам, а также происходит экструдирование фрагментов боридного слоя. Величины поворотных момен-
Рис. 8. РЭМ-изображения первичных (1) и вторичных (2) трещин в покрытии толщиной 70 (а) и 80 мкм (б)
Рис. 9. РЭМ-изображения фрагментов борированного слоя на поверхности образца с покрытием 70 мкм в области шейки (а) (складки показаны тонкими стрелками) и вблизи галтельного перехода (б)
тов будут тем значительнее, чем меньше толщина поверхностно упрочненного слоя. Следует отметить, что в работе [13] была представлена серия численных экспериментов, в которых проводился расчет подобных поворотных моментов при растрескивании хрупких керамических покрытий.
Таким образом, ориентация вторичных трещин в тонких покрытиях преимущественно перпендикулярна направлению действия выше обозначенных сжимающих напряжений. В то же время, при растяжении композиций с большой толщиной упрочненного слоя подобного прогиба граней рабочей части образцов не наблюдалось.
В этой связи возникает вопрос о причинах формирования складчатого деформационного рельефа на поверхности высокотвердого боридного слоя толщиной 70 мкм и отсутствия такого эффекта в образцах с другой толщиной покрытия. По нашему мнению, подобный эффект обусловлен структурой боридного слоя, а именно толщиной «сплошного слоя» фазы Fe2B (на рис. 12, а обозначен цифрой 2), а не интегральной толщиной всего покрытия (на рис. 12, а обозначено цифрой 1) с учетом глубины прорастания игл в матрицу (которая обычно
приводится при обозначении толщины покрытия). В случае тонких покрытий толщина такого сплошного слоя достаточно мала и нарушение силы когезионной связи как между соседними фрагментами, так и между соседними иглами происходит без существенного увеличения уровня внешней нагрузки, что следует из анализа кривых течения. В случае толстых покрытий толщина подобного сплошного слоя достаточно велика и для нарушения когезионного сцепления необходимо действие мощных концентраторов напряжений, которые возникают вследствие локального изгиба образца. Последнее и обусловливает распространение вторичных трещин на большие расстояния, сопоставимые с его шириной.
По мнению авторов, может быть предложен следующий механизм формирования на поверхности фрагментов боридного слоя толщиной 70 мкм деформационного рельефа (см. рис. 10, а). В процессе формоизменения образца в условиях одноосного статического растяжения вся композиция испытывает деформацию сжатия в направлении, перпендикулярном оси образца (направлению приложения нагрузки, см. рис. 12), что наиболее выражено в области шейки. Таким образом, рельеф,
Рис. 10. РЭМ-изображения первичных (1) и вторичных (2) трещин в покрытиях толщиной 100 (а) и 180 мкм (б)
Рис. 11. Изменение формы поперечного сечения рабочей части образца: схематическое изображение (до и после нагружения) (а); излом образца с покрытием толщиной 80 мкм (б); стрелками показано направление действия сил, вызывающих прогиб граней образца при его утонении в процессе растяжения
сформированный на поверхности фрагментов упрочненного слоя, является результатом растрескивания фрагментов покрытия под воздействием сжимающих напряжений, что сопровождается процессами их разворотов, а также экструзии/интрузии (рис. 12, б). В результате процессов фрагментации растрескавшегося покрытия в последнем формируется деформационный рельеф в виде складок, ориентированных перпендикулярно направлению поперечного сужения образца.
Факт отсутствия подобных складок на поверхности фрагментов боридного слоя, находящихся вне области шейки, а также на поверхности фрагментов боридного слоя большей толщины, может быть объяснен различными значениями величин относительного сужения у и у ш для образцов с различной толщиной упрочненного слоя (см. рис. 2). Отсутствие рельефа на поверхности образца с тонким боридным слоем (50 мкм), который характеризуется большим значением величины относительного сужения в шейке, очевидно, является следствием малой толщины сплошного слоя фазы Fe2B, что сопровождается растрескиванием покрытия с образованием большого количества фрагментов небольшого размера. В данном случае действие сжимающих напряжений проявляется в значительных перемещениях и разворотах фрагментов тонкого боридного слоя на по-
верхности пластичной матрицы, что приводит к их заметной разориентации друг относительно друга к моменту разрушения (см. рис. 5, б, 7, б).
Полученный результат наводит на мысль о том, что при формировании боридных слоев на поверхности конструкционных материалов должна существовать оптимальная толщина покрытий, обеспечивающая максимальные эксплуатационные характеристики. По всей видимости, одним из критериев «оптимальности» служит толщина «сплошного» боридного слоя. Поскольку основной областью применения боридных покрытий является работа в условиях жестокого статического трения можно предложить следующее обоснование выбора толщины упрочняющего боридного слоя. Покрытия с малой толщиной будут растрескиваться вследствие действия мощных концентраторов напряжений на границах соседних игл, в то время как покрытия с толстым сплошным слоем будут разрушаться вследствие эффекта локального изгиба, обусловленного несовместностью развития деформации в покрытии и основе. Таким образом, оптимальной толщиной покрытия для исследовавшейся в работе системы «покрытие - основа» можно считать величину порядка 70-80 мкм. Последние сохраняют как игольчатую структуру (и неплоский профиль границы раздела), так и имеют достаточную для сохра-
Рис. 12. Формирование рельефа на поверхности фрагментов боридного слоя толщиной 70 мкм (здесь показано сечение одной из складок), находящихся в области формирования шейки (см. рис. 9, а) под воздействием сжимающих напряжений (показаны черными стрелками) и разворотов фрагментов (белые стрелки)
60 100 140 180
Толщина боридного слоя 5, мкм
Рис. 13. Зависимость среднего расстояния между трещинами d ср к моменту разрушения от толщины упрочненного слоя 8
нения когезионного сцепления толщину сплошного слоя фазы Fe2B.
Исходя из результатов исследования образцов с упрочненными слоями 50-180 мкм и анализа зависимости, приведенной на рис. 6 был построен график, иллюстрирующий зависимость толщины покрытия от периода растрескивания (рис. 13). Анализ последнего позволил ввести коэффициент, характеризующий зависимость среднего расстояния между трещинами ^р от толщины 8 борированных слоев композиций, исследовавшихся в настоящей работе:
dCр = 3.418.
Анализ полученных результатов позволил выявить характерные масштабные уровни развития деформации композиций, определяемые неоднородностью их структуры (действие захвата, несовместность развития де-
формации в покрытии и подложке, формирование шейки в процессе деформирования образца), которые при нагружении определяют возникновение и последующую релаксацию концентраторов напряжений.
В таблице 1 приведена классификация концентраторов напряжений по масштабным уровням.
Концентратором уровня макро II является базовый концентратор напряжений, представляющий собой место сопряжения упруго деформирующейся головки образца и его рабочей части [14]. Концентраторы уровня макро I — это полоса Людерса, распространение которой вызывает изгиб образца (рис. 3) и увеличение уровня напряжений в покрытии в определенном поперечном сечении, а также силы Пуассона, обусловливающие сужение образца в зоне формирования шейки. Концентраторы уровня мезо II — это локальные зоны изгиба-кручения (мезообъемы в форме трехгранных призм), возникающие в области границы раздела вследствие несовместности пластической деформации материалов покрытия и матрицы.
В композициях с покрытиями толщиной до 80 мкм уровень напряжений на концентраторах уровня мезо II в начале пластического течения является невысоким вследствие небольшой толщины покрытия, а также благодаря наличию переходного перлитного подслоя, в определенной степени «сглаживающего» различие механических характеристик структурных составляющих поверхностного слоя композиций [15]. При достижении уровня внешней нагрузки, соответствующего пределу текучести неупрочненной стали, в композиции начинает распространяться полоса Людерса (концентратор уровня макро I). В результате происходящего при этом изгиба образца (см. рис. 3) в покрытии формируются пер-
Таблица 1
Характерные масштабные уровни концентраторов напряжений
Причина возникновения концентратора напряжений Масштабный уровень концентратора напряжений Объект действия Результат релаксации/ характер растрескивания
Действие захвата как базового концентратора напряжений Макро II Вся рабочая часть образца Инициирование пластической деформации в рабочей части образца
Распространение полосы Людерса (локальный изгиб образца по всему поперечному сечению) Макро I Тонкие (менее 100 мкм) боридные слои Первичное
Возникновение локальной зоны изгиба-кручения — мезообъема в виде трехгранной призмы Мезо II Толстые (100 мкм и более) боридные слои растрескивание
Локальное сужение образца Макро УМезо II Тонкие (менее 100 мкм) боридные слои Вторичное
Возникновение локальной зоны изгиба-кручения в пределах отдельных мезообъемов (фрагментов растрескавшегося покрытия) Мезо II Толстые (100 мкм и более) боридные слои растрескивание
вичные трещины. На кривых течения этому соответствует площадка текучести [10]. Периодический характер растрескивания определяется равномерностью толщины покрытия вдоль всей рабочей части образца и наличием в упрочненном слое второй границы раздела между боридной и перлитной фазами, являющейся плоской.
По мере увеличения толщины упрочненного слоя уровень напряжений на границе раздела «покрытие -подложка» увеличивается. На это указывает то, что при нагружении композиций с покрытиями толщиной более 80 мкм растрескивание упрочненного слоя начинается при напряжении, значительно меньшем предела текучести стальной матрицы. В результате, в таких образцах полоса Людерса не распространяется (см. рис. 5) и отсутствует площадка текучести на кривых течения [10]. Первичное растрескивание покрытия происходит под действием концентраторов напряжений уровня мезо II, напряжение на которых значительно превышает напряжение для образцов с более тонким покрытием. Таким образом, квазипериодическое пространственное распределение трещин определяется значительной толщиной упрочненного слоя, обусловливающей «вырождение» неплоской границы раздела между боридным покрытием и подложкой в плоскую.
Вторичное растрескивание всех композиций определяется концентраторами уровня мезо II, а в случае тонких покрытий — макро I. При этом, при небольшой толщине упрочненного слоя (до 80 мкм) концентраторы возникают под действием сжимающих напряжений, а при толщине упрочненного слоя свыше 80 мкм и больше — в результате локального изгиба покрытия в пределах сформировавшихся фрагментов (значение относительного сужения для этих образцов очень мало). Это определяет различие в ориентации вторичных трещин для образцов с тонкими и толстыми упрочненными слоями (параллельно направлению растяжения при небольшой толщине упрочненного слоя и перпендикулярно для образцов с толстыми упрочненными слоями, см. рис. 6). Тем не менее, вторичные трещины в том и другом случаях ориентированы перпендикулярно направлению напряжений, действующих на фрагменты покрытия.
5. Заключение
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать следующие выводы:
1. При небольших толщинах упрочненного слоя (80 мкм и меньше) квазипериодический характер его первичного растрескивания при активном растяжении определяется наличием плоской границы раздела «перлитный подслой - матрица» и распространением в подложке полосы Людерса. При большой толщине упрочненного слоя пространственная периодичность растрескивания обусловлена «вырождением» неплоской
границы раздела между покрытием и основой в плоскую.
2. Различие процессов вторичного растрескивания для образцов с тонкими и толстыми покрытиями обусловлено их различной пластичностью и соответственно различной величиной поперечного сужения (в том числе в шейке). В композициях с упрочненными слоями толщиной менее 80 мкм именно значительное формоизменение образца в процессе деформирования обусловливает различие механизмов первичного и вторичного растрескивания.
3. Одним из факторов, определяющих оптимальную толщину боридных покрытий, является толщина «сплошного слоя» фазы Fe2B. Повышение пластичности композиции с покрытием толщиной 70 мкм по сравнению с неупрочненным образцом, впервые выявленное в работе [10], может быть вызвано и некоторой «деформируемостью» боридного слоя такой толщины.
4. Мелкое вторичное растрескивание, охватывающее большую часть образцов с тонкими борированными слоями (толщиной до 100 мкм), позволяет избежать значительной локализации пластической деформации при возникновении в них новых трещин и, в отличие от образцов с толстым покрытием, не способствует снижению пластичности поверхностно упрочненных образцов.
Благодарности
Работа выполнялась в рамках молодежного проекта РАН «Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики», а также проекта РФФИ № 00-15-96174. Авторы выражают благодарность научному сотруднику ИФПМ СО РАН Д.Д. Мои-сеенко за участие в обсуждении результатов работы.
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. Панин B.E. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
3. Панин B.E., Слосман А.И., Колесова H.A. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
4. Панин B.E., Слосман А.И., Колесова H.A., Овечкин Б.Б., Молчанова И.Ю. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно-упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 6. - С. 63-69.
5. Панин C.B., Смолин И.Ю., Балохонов P.P. и др. Мезомеханика гра-
ницы раздела в материалах с поверхностным упрочнением и покрытиями // Изв. вузов. Физика. - 1999. - № 3. - С. 4-24.
6. Панин C.B., Кашин О.А., Шаркеев Ю.П. Изучение процессов плас-
тической деформации на мезомасштабном уровне инструментальной стали, поверхностно упрочненной методом электроискрового легирования // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. - С. 75-85.
7. Панин C.B., Дураков B.F, Прибытков Г.А. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с
высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
8. Sizova O.V., Kolubaev A.V. Einfluß der Struktur von Borid-Schutzsc-hichten auf Reibung und Gleitverschleiß // “Tribologie-Fachtagung”, Reibung, Schwierung und Verschleiß, 1996. - Göttingen, 1996. -Vort. 27.
9. Коваль A.B., Панин C.B., 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.
10. Панин C.B., Коваль A.B., 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.
11. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Парфенов A.B., Не-руш Г.В., Панин С.В. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезо-
механика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.
12. 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», June 13-16, 2000, Beijing, China. - Beijing: Tsinghua University Press, 2000. - Vol. 2. -P. 585-593.
13. Псахье С.Г., Моисеенко Д.Д., Смолин А.Ю., Шилъко Е.В., Дмитриев А.И Исследование особенностей разрушения хрупких керамических покрытий на основе метода подвижных клеточных автоматов // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 2. - С. 95-100.
14. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомехани-ки // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
15. Панин С.В., БалохоновP.P., Быдзан А.Ю., Коваль А.В., Беляев С.А., Дампилон Б.В., Байбулатов Ш.А. Мезомеханика внутренних границ раздела высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий // Труды конф. молодых ученых, посвященной 100-летию М.А. Лаврентьева, 4-6 декабря 2000 г., Новосибирск. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - С. 41-44.
