Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием

Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистои стали с высокопрочным деформируемым покрытием

С.В. Панин, В.Г. Дураков, Г.А. Прибытков

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Исследованы механизмы и закономерности пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в образцах низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием, нанесенным методом электронно-лучевой наплавки. Показано, что мезоконцентраторы напряжений в материалах с покрытиями возникают на границе раздела «покрытие - подложка».

При их релаксации в покрытии развиваются поперечные трещины, распространяющиеся от внутренней границы раздела к поверхности образца; одновременно с этим в подложке формируется мезоструктура в виде трехгранных призм, определяющая характер последующей пластической деформации и разрушения композиции.

1. Введение

Исследования процессов деформации образцов с хрупким поверхностно упрочненным слоем [1,2] показали, что в основе механизмов их пластического течения на мезомасштабном уровне лежит возникновение квази-периодических трещин в поверхностно упрочненном слое и развитие в подложке мезополос локализованной деформации. С каждой поперечной трещиной в поверхностном слое связаны две мезополосы в подложке. Их распространение по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений приводит к формированию в подложке фрагментированной мезострук-туры. Геометрические размеры элементов мезострукту-ры зависят от соотношения механических характеристик упрочненного слоя и подложки, а также соотношения их толщин. При больших толщинах упрочненного слоя вся деформация, и в конечном итоге, разрушение образца определялись развитием и взаимодействием элементов сформировавшейся в подложке мезоструктуры.

В соответствии с основными положениями мезо-механики [3, 4] развитие мезополос локализованной деформации связано с возникновением в нагруженном материале мезоконцентраторов напряжений. Однако вскрыть природу мезоконцентраторов напряжений в [1,2] не удалось, что связано с высокой скоростью процесса растрескивания хрупкого покрытия. Поэтому оставался дискуссионным вопрос о том, что является первичным источником мезополос в подложке: мезоконцент-ратор напряжений на границе раздела «упрочненный слой - подложка» или поперечная трещина в упрочненном слое, играющая роль надреза.

Ответы на поставленные вопросы мог дать эксперимент, проведенный на образцах с пластически деформируемым высокопрочным покрытием, которое характеризуется замедленной кинетикой распространения

трещин. В данной работе в качестве материала покрытия был выбран высокопрочный сплав №-Сг-В^, обладающий небольшой степенью пластического удлинения. В качестве материала подложки была использована низкоуглеродистая сталь Ст 3, пластическая деформация которой на начальной стадии осуществляется распространением фронта полосы Людерса.

Для нанесения покрытия использовали метод вакуумной электронно-лучевой порошковой наплавки (ЭЛН) [5], позволяющий обеспечить высокое качество наплавляемых покрытий и их высокие адгезионные характеристики.

2. Материал и методика исследований

В работе исследованы образцы низкоуглеродистой стали Ст 3 с ЭЛН-покрытием из порошка сплава №-Сг-В^ (ПГ10Н01). Покрытие наносилось на стальную подложку — лист толщиной 2 мм — в вакуумной установке в режиме сканирующего электронного луча [5]. Затем электроэрозионным методом вырезали плоские образцы в форме двусторонней лопатки с размером рабочей части 20x4 мм2. Для получения необходимой толщины покрытия и образца в целом плоские грани образцов подвергали механической шлифовке. Толщина образцов изменялась от 1.4 до 3.2 мм, толщина покрытия — от 0.14 до 0.86 мм, а отношение толщины покрытия к общей толщине образца — от 0.1 до 0.377. Твердость покрытий составляла HRC 60±1.

Испытания на одноосное статическое растяжение проводили на испытательной машине ИМАШ-2078. Скорость нагружения составляла 0.03 мм/мин. Процессы пластической деформации мезо- и макромасштабного уровней наблюдали с помощью оптико-телевизионного комплекса «TOMSC» на боковой грани образцов, т.е. вблизи границы раздела «основа - покры-

© Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., 1998

тие». В работе использовали объективы с небольшим увеличением, позволяющие наблюдать участки поверхности боковой грани протяженностью вдоль оси нагружения от 0.8 до 3.0 мм. Характер развития пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях анализировался путем построения полей векторов смещений [3].

Параллельно с видеовводом в компьютер, изображение поверхности нагружаемого образца с помощью видеомагнитофона записывалось на видеопленку. Подобная процедура обеспечивала возможность многократного замедленного покадрового просмотра процессов пластического деформирования композиции уже после проведения эксперимента.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

3.1. Макроскопическая картина деформации и разрушения

Характерной особенностью деформирования образцов низкоуглеродистой стали с высокопрочным ЭЛН-покрытием при одноосном растяжении является квази-периодическое поперечное растрескивание покрытия (как это наблюдалось и для образцов стали 65Х13 с поверхностным упрочнением методом ионного азотирования в [1, 2]). Однако распространение вдоль деформируемого образца низкоуглеродистой стали полосы Людерса позволило проследить за кинетикой развития поперечных трещин в ЭЛН-покрытии и вскрыть механизм возникновения мезоконцентраторов напряжений на границе раздела «покрытие - подложка».

Фронтальный характер распространения полосы Людерса характеризуется формированием протяженной площадки текучести пилообразной формы на диаграмме нагружения, рис. 1. Появление каждой трещины в покрытии сопровождалось образованием очередного зубца на диаграмме нагружения. Плавный характер релаксации напряжений на каждом зубце кривой ст-е связан с одновременным развитием в подложке зон лоР, кг 300

280

260

240

200

ч

Рис. 1. Диаграмма нагружения образца с ЭЛН-покрытием при одноосном растяжении

кализованной пластической деформации. Процесс формирования квазипериодических поперечных трещин в покрытии и связанных с ними зон локализованной пластической деформации в подложке фронтально распространяется вдоль всей рабочей части композиционного образца, приводя к его фрагментации на макромасштабном уровне.

Пластическая деформация композиции начинается с возникновения в подложке двух полос Людерса, движущихся от каждого из захватов как базовых концентраторов напряжений [4] к центру образца. Однако высокопрочное покрытие препятствует распространению фронтов полос Людерса с постоянной скоростью. Поэтому их движение происходит скачкообразно: после образования в покрытии очередной поперечной трещины полоса Людерса перемещается на расстояние, равное периоду растрескивания, и останавливается. Скорость движения фронта полосы Людерса максимальна в первоначальный период после образования поперечной трещины и равна нулю в момент перед образованием очередной поперечной трещины в покрытии.

По мере увеличения внешнего приложенного напряжения часть первичных фрагментов покрытия, размер которых вдоль оси нагружения превосходит средний пространственный период растрескивания упрочняющего слоя, разбивается на более мелкие (вторичное растрескивание). Это обусловливает на заключительной стадии деформирования квазипериодический характер пространственного распределения трещин.

Характер деформации и разрушения образцов с ЭЛН-покрытием изменяется при увеличении толщины покрытия. На образцах с толстым покрытием (8 /8 , >

1 1 14 покр общ

> 0.5) полоса Людерса распространялась практически по всей длине рабочей части без растрескивания покрытия, хотя ее внешнее проявление на поверхности по сравнению с образцом с тонким покрытием выражено гораздо слабее. Сразу после возникновения первой трещины в толстом покрытии образец разрушается, поскольку уровень внешнего приложенного напряжения по отношению к площади поперечного сечения подложки в области трещины превышает предел прочности подложки.

Варьирование толщины ЭЛН-покрытия и ее соотношения с толщиной всей композиции позволило выявить макроособенности деформирования низкоуглеродистой стали при подобном виде поверхностного упрочнения. На рис. 2 приведены кривые ст-е для образцов с различной толщиной покрытия, а на рис. 3 представлены зависимости между рядом характеристик деформации образцов с покрытием (среднее расстояние между трещинами в покрытии L, средняя высота «зубцов» на площадке текучести АР, предел прочности двухслойной композиции ств) и геометрическими характеристиками образцов (толщина покрытия 8покр, отношение толщины

Рис. 2. Кривые ст-е для образцов с различным соотношением у «толщина покрытия - толщина образца»: 1 — без покрытия; 2 — у = 20.2%; 3 — у = 24.1%; 4 — у = 28.7%

покрытия к общей толщине образца у = 8покр/8о6щ). Видно, что с увеличением 8покр параметры L и АР возрастают, рис. 3, а, б.

Зависимость предела прочности ств от соотношения толщин покрытия и образца 8 /8 _ имеет четко выра-

покр общ

женный максимум, рис. 3, в. Подобный вид указанной зависимости можно объяснить действием двух факторов: 1) прочностью композиционного материала, которая определяется законом аддитивности значений прочности его компонентов; 2) глубиной трещин в покрытии, являющихся концентраторами напряжений.

При увеличении у первый фактор приводит к возрастанию значений ств, второй фактор — к их снижению. Итоговый график зависимостей ств =Ду) определяется суперпозицией двух указанных факторов.

3.2. Механизмы деформации и разрушения мезомасштабного уровня

Как уже отмечалось выше, основными факторами, определяющими процесс пластической деформации композиции «конструкционная сталь - упрочняющее покрытие», являются распространение в подложке полосы Людерса и растрескивание прочного покрытия. Это определяет эстафетный характер деформации: распространение фронта полосы Людерса нагружает по-

крытие, приводя к возникновению в нем поперечной трещины. Затем этот процесс повторяется на следующем участке образца и т.д.

Образованию каждой поперечной трещины предшествует образование в покрытии деформационных доменов (упругопластических предвестников разрушения) [6]. На рис. 4 представлены металлографические картины деформационного рельефа на боковой грани образца и соответствующие поля векторов смещений до возникновения поперечной трещины, рис. 4, а, в-д, и после растрескивания, рис. 4, б, е. Эволюция картин векторов смещений, рис. 4, в-д, наглядно демонстрирует, что во время движения полосы Людерса вплоть до образования поперечной трещины на границе раздела «покрытие - подложка» накапливается сильный локальный изгибающий момент, определяющий появление в покрытии деформационных доменов, а в подложке — локализованного около концентратора напряжений вихря в поле векторов смещений. По границе деформационных доменов, имеющих резко выраженную разориентацию направлений векторов смещений, распространяется поперечная трещина. Движение поперечной трещины в покрытии, рис. 4, б, сопровождается значительными материальными сдвигами и поворотами окружающего материала, приводящими к фрагментации образца, рис. 4, е.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что природа возникновения мезоконцентраторов напряжений на границе раздела «покрытие - подложка» связана с действием изгибающих моментов, возникающих при сопряжении пластически деформируемой подложки и высокопрочного покрытия. Согласно теории механического поля [3] любой неоднородный поток дефектов в деформируемом твердом теле приводит к возникновению локальной зоны изгиба-кручения. Это и есть концентратор напряжений. Эксперименты, проведенные на образцах конструкционной стали с ЭЛН-покры-тием, убедительно подтверждают правильность этого положения. При деформировании такого образца в ходе эстафетного распространения фронта полосы Людерса происходит периодически повторяющийся изгиб образца, сопровождаемый образованием в покрытии системы

Рис. 3. Зависимости между характеристиками деформации образцов с ЭЛН-покрытием и их геометрическими характеристиками

квазипериодических трещин, между которыми в подложке формируются слабодеформированные трехгранные призмы, рис. 5, а-г.

На рис. 5, д представлена картина векторов смещений для интервала времени, соответствующего распространению в подложке полосы Людерса от уже сформировавшейся трещины в покрытии к месту возникновения новой поперечной трещины, которая рождается в покрытии по ходу движения полосы Людерса, рис. 5, а. При этом наглядно прослеживается кинетика формирования в подложке очередной слабодеформиро-ванной трехгранной призмы. Ее левой гранью является граница с зоной сильной локальной деформации, вызванной возникновением предшествующей поперечной трещины. Правая грань совпадает с фронтом полосы Людерса, а длина основания определяется периодом растрескивания покрытия. Указанная трехгранная приз-

ма оказывает сопротивление движению полосы Людер-са и вызывает локальный изгиб образца. Из рис. 5, д видно, что на участке образца, расположенном справа от указанной трехгранной призмы, происходят смещения, сильно разориентированные относительно оси нагружения. При этом особенно сильно выраженный изгиб испытывает участок образца, находящийся перед фронтом полосы Людерса, рис. 5, д.

В момент образования очередной трещины в покрытии, рис. 5, б, вся область образца, находящаяся за фронтом полосы Людерса, скачкообразно изменяет ориентацию векторов смещений в направлении исходного положения образца, рис. 5, е. Это связано с развитием в подложке нового очага локализованной пластической деформации, граница которого формирует правую грань трехгранной призмы. При этом происходит релаксация локального изгибающего момента (и связанного с ним

Рис. 4. Оптические изображения поверхности боковой грани и соответствующие поля векторов смещений в образце с ЭЛН-покрытием (покрытие сверху) до возникновения (а, в-д) и после образования трещины (б, е); стрелками показано направление приложенной нагрузки; е = 4.5%; Ае = 0.3%. х30

мезоконцентратора напряжений). Данный процесс периодически повторяется в ходе распространения вдоль образца полосы Людерса и имеет характер фазовой волны переключений.

Возникновение первичных трещин в ЭЛН-покрытии характеризуется интенсивным развитием в прилегающем материале подложки локальной пластической деформации, рис. 6, а, б. Высокая скорость этого процесса затрудняет анализ явлений, развивающихся на границе раздела «покрытие - подложка». В то же время процесс вторичного растрескивания протекает достаточно медленно и позволяет точно определить местоположение мезоконцентратора напряжений и проследить процесс его релаксации. На рис. 7, а, б приведены металлографические картины деформационного рельефа на боковой поверхности образца с ЭЛН-покрытием при возникновении вторичной трещины. Отчетливо видно, как в покрытии от границы его раздела с подложкой в направлении поверхности образца распространяется вторичная трещина, одновременно с которой в подложке развивается зона локальной пластической дефор-

мации. Это подтверждает тезис о том, что первичные мезоконцентраторы напряжений на границе раздела «покрытие-подложка» связаны с несовместностью их сдвиговых деформаций. Развитие трещин в покрытии автокаталитически увеличивает коэффициент интенсивности напряжений первичных мезоконцентраторов. На рис. 7, в-е приведены картины векторов смещений, соответствующие изображениям, показанным на рис. 7, а, б. Распределение векторов смещений свидетельствует о действии в образце сильного изгибающего момента во время зарождения в покрытии поперечной трещины. Различие характера распределения направлений и длин векторов смещений в покрытии слева и справа от распространяющейся трещины, проявляющееся на представленных картах векторов смещений, по-видимому, связано с неоднородностью развития пластической деформации в области формирующейся в подложке трехгранной призмы.

Не менее актуальным при исследовании характера растрескивания толстого ЭЛН-покрытия являлся вопрос о характере распространения трещин на плоской по-

Рис. 5. Оптические изображения поверхности боковой грани образца с ЭЛН-покрытием (покрытие снизу) и соответствующие распределения векторов смещений при распространении в подложке полосы Людерса; е = 3%; Ае = 0.1%. х10

верхности образца. Логично ожидать, что трещины в покрытии должны зарождаться поочередно то на правом, то на левом краях плоской грани образца по схеме фазовой волны переключений. Для выяснения этого вопроса были проведены исследования покрытия со стороны плоской поверхности образцов. Однако полученные результаты не позволили выявить окончательную картину развития трещин в покрытии, что связано

с неравномерным характером переходного слоя «покрытие - подложка» в целом по поперечному сечению. Тем не менее экспериментально был выявлен ряд закономерностей деформирования упрочняющего покрытия. В частности, было обнаружено, что образование поперечной трещины происходит не одновременно по всему поперечному сечению образца, а от одного края к другому, приводя к локальному изгибу образца в об-

Рис. 7. Развитие вторичной поперечной трещины на границе раздела «покрытие - подложка» (покрытие снизу); е = 8%, Ае = 0.05%. х65

ласти растрескивания, рис. 8, что отображается на картине векторов смещений в виде образования областей, в которых ориентация векторов смещений отлична от направления внешней приложенной нагрузки, рис. 8, д. Однако после прохождения трещины сквозь все покрытие образец возвращается на фиксированную ось нагружения, рис. 8, е. Таким образом, в проведенных экспериментах образование трещин в покрытии происходило всегда с одного края плоской грани, приводя к эстафетному локальному изгибу образца в момент распространения очередной поперечной трещины.

Фрагментация образца, вызванная растрескиванием покрытия, в конечном итоге определяет характер разрушения всей композиции. В одной из поперечных трещин в покрытии возникает макроконцентратор напряжений, формирующий две макрополосы локализованной пластической деформации. Они распространяются по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений через все сечение образца, образуя

в области шейки трехгранную призму, рис. 9. Вся деформация в шейке локализуется в объеме данной трехгранной призмы, которая вовлекается внутрь образца. Механизм развития шейки связан со смещением макрополос к центру трехгранной призмы, размеры которой непрерывно уменьшаются. Вдоль боковых граней трехгранной призмы идет значительная переориентация векторов смещений, что обусловливает развитие в ее объеме поворотных мод деформации и фрагментацию материала. При разрушении магистральная трещина проходит вдоль одной из макрополос локализованной пластической деформации. Подобная картина наблюдалась ранее в [4, 7].

4. Заключение

Нанесение упрочняющих покрытий на поверхность пластичных материалов существенно изменяет характер пластического течения всей композиции. Исследования, проведенные на образцах малоуглеродистой

Рис. 8. Образование поперечных трещин в покрытии (наблюдение проводилось со стороны плоской грани образца); е = 3.5%; Ае = 0.1%. х 10

\ У - - " ч ’ . ! - , - ' >/у   1 ' ч: '

Рис. 9. Распределение векторов смещений и соответствующее изображение поверхности боковой грани образца с ЭЛН-покрытием (покрытие снизу) в области шейки; е = 11.5%; Ае = 0.1%. х 30

стали с деформируемым ЭЛН-покрытием, позволили выявить и сформулировать следующие закономерности деформирования пластичных образцов с подобным типом покрытий.

• мезоконцентраторы напряжений возникают на внутренней границе раздела «покрытие - подложка» за счет несовместной сдвиговой деформации сопрягаемых сред;

• процесс фрагментации образца с ЭЛН-покрытием развивается эстафетно за счет образования в покрытии поперечных трещин при распространении в подложке полосы Людерса;

• накопление сильного изгибающего момента при распространении в подложке полосы Людерса приводит к образованию в покрытии деформационных доменов (упругопластических предвестников разрушения), по границе которых при растрескивании проходит поперечная трещина;

• процесс фрагментации образца при образовании поперечных трещин в покрытии предопределяет процесс пластической деформации и разрушения всей композиции. На стадиях параболического и слабого линейного упрочнения пластическая деформация локализуется в подложке в областях, расположенных под поперечными трещинами в покрытии;

• при образовании в образце шейки в поле векторов смещений наблюдается возникновение двух сопряженных мезополос локализованной пластической деформации, образующих трехгранную призму. Развитие шейки происходит за счет уменьшения объема трехгранной призмы в процессе сдвигов в макрополосах. При разрушении магистральная трещина распространяется вдоль одной из макрополос локализованной пластической деформации.

Литература

1. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - Вып. 2. - С. 129-136.

2. ПанинВ.Е., СлосманА.И., КолесоваН.А., Овечкин Б.Б., Молчуно-ва И.Ю. Влияние толщины упрочненного слоя на формирование мезоструктуры при растяжении поверхностно упрочненных образцов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - Т. 41. - №6.- С. 63-69.

3. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1.298 с.

4. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезо-

механика. - 1998.- Т. 1.- № 1.- С. 5-22.

5. Панин В.Е., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. и др. Электронно-лучевая

наплавка композиционных материалов на основе карбида титана // Физика и химия обработки материалов. - 1997. - №2.- С. 54-58.

6. Панин В.Е., Панин С.В., МамаевА.И. Деформационные домены на

мезоуровне в деформируемом твердом теле // Доклады РАН. - 1996. -Т. 350.- №1.- С. 35-38.

7. Panin V.E., Derevyagina L.S., Deryugin Ye. Ye., Valiev R.Z., Girsova N.V

Regularities of plastic deformation at the meso- and macroscale level in Cu with subcrystalline structure // Int. Conf. CADAMT’97: Abstracts. -Tomsk, 1997.- P. 158-159.