Влияние макроструктуры упрочненного слоя и профиля границы раздела на характер пластической деформации и разрушения на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталей

4.2. Испытания образцов в условиях растяжения 90.

4.3. Испытания образцов в условиях сжатия 99.

4.4. Обсуждение полученных результатов 104.

4.5. Выводы к главе 4 107 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 111 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 127 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 128.

Актуальность темы

Более 80% всех деталей машин и механизмов в мире подвергаются поверхностному упрочнению или нанесению покрытий. Такая обработка позволяет получать различные сочетания свойств поверхностных слоев и внутренних объемов материала (в первую очередь, твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхности и вязкости сердцевины), что обеспечивает высокий уровень эксплуатационных характеристик поверхностно обработанных изделий. Это, в свою очередь, позволяет использовать сравнительно дешевые и технологичные материалы для изготовления изделий, у которых высокий уровень механических и других свойств требуется только в поверхностных слоях.

Результаты исследований, проведенных в последнее время с использованием сканирующей туннельной микроскопии, показали, что в поверхностных слоях нагруженных твердых тел развиваются потоки поверхностных дефектов, которые существенно влияют на макромеханические характеристики материала. Поверхностное упрочнение сдерживает возникновение подобных потоков, но обусловливает при нагружении возникновение на границе раздела «покрытие (упрочненный слой) — основа» мощных концентраторов напряжений. Релаксация последних происходит путем растрескивания покрытий (упрочненных слоев), что приводит к преждевременному выходу из строя деталей машин. По этой причине поверхностно упрочненные материалы, как правило, характеризуются меньшей усталостной прочностью.

К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал, описывающий поведение на мезомасштабном уровне поверхностно упрочнённых материалов с плоской границей раздела между покрытием и матрицей. Показано, что наличие на поверхности высокопрочного слоя приводит к значительному повышению предела текучести и предела прочности образцов, но значительно снижает их пластичность. В группе академика В. Е. Панина было показано, что при активном нагружении таких композиций в поверхностном слое формируется система квазипериодически расположенных поперечных трещин, расстояние между которыми возрастает при увеличении толщины упрочнённого слоя. В мезомеханике это объясняется возникновением на плоской границе раздела двух упруго нагруженных сред квазипериодических концентраторов напряжений, которые обуславливают возникновение в поверхностном слое квазипериодических трещин и сильно выраженную макролокализацию пластической деформации в подложке. Логично предположить, что профиль границы раздела «упрочненный слой — подложка» следует делать не плоским, а зубчатым или игольчатым. Это обеспечит диспергирование концентраторов напряжений на границе раздела, обусловит стохастический характер растрескивания малопластичного упрочненного слоя, вызовет более однородное пластическое течение в подложке. Все указанные факторы должны приводить к повышению эксплуатационных характеристик поверхностно упрочнённых конструкционных материалов, что действительно наблюдалось в работах группы д.ф.-м.н. A.B. Колубаева при борировании стали 15НЗМА, в которой граница раздела «борированный слой — подложка» имеет игольчатый профиль. Однако в этих исследованиях основное внимание было уделено влиянию борирования на механизм повышения износостойкости стали.

В настоящей работе была поставлена задача изучить закономерности и механизмы деформации и разрушения на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталей. Поверхностно упрочнённые слои, полученные методом диффузионного борирования, имеют сложную макроструктуру и состоят из нескольких последовательно расположенных фаз, значительно различающихся по механическим характеристикам. В зависимости от режимов поверхностного упрочнения, а также структуры матрицы, профиль границы раздела может быть игольчатым, зубчатым или плоским (игольчатый профиль границы раздела формируется на малоуглеродистых сталях, а зубчатый — на высокоуглеродистых или цементированных). Это позволяет разделить вклад в пластичность и прочность борированных малоуглеродистых сталей как структуры борированного слоя, так и профиля границы раздела.

Цель работы. Экспериментальное изучение влияния макроструктуры поверхностно упрочненного слоя и профиля границы раздела на характер пластической деформации и разрушение на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталей. Полученные экспериментальные результаты и обобщение литературных данных дадут возможность выявить факторы, определяющие оптимальные свойства композиций «упрочненный слой — основа» при механическом нагружении. Это позволит сформулировать рекомендации по оптимизации режимов поверхностного упрочнения. Кроме того, полученные данные являются основой для построения математических моделей физической мезомеханики для проведения компьютерных экспериментов по нагружению структурно-неоднородных материалов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Формирование игольчатой границы раздела «борированный слой — подложка из стали СтЗ» эффективно повышает все механические характеристики материала только при толщине упрочненного слоя менее 80 мкм, как при растяжении, так и при сжатии. При большей толщине борированного слоя характеристики прочности снижаются.

2. Игольчатый борированный слой на поверхности высокопрочной стали 15НЗМА при толщине упрочненного слоя менее 80 мкм отрицательно сказывается на механических характеристиках при растяжении и положительно при сжатии. При толщине борированного слоя более 80 мкм характеристики прочности снижаются как при растяжении, так и при сжатии.

3. Формирование зубчатого упрочненного слоя на предварительно цементированной стали СтЗ позволяет существенно увеличить характеристики прочности материала, хотя при растяжении его пластичность снижается.

4. Зубчатый (игольчатый) профиль границы раздела «упрочненный поверхностный слой — основа», совместно с введением градиентного переходного слоя, следует рекомендовать для поверхностного упрочнения малолегированных сталей при толщине упрочненного слоя не более 80 мкм.

Научная новизна. В работе впервые:

— проведены исследования пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне в борированных образцах малоуглеродистых сталей 15НЗМА и СтЗ в условиях одноосного статического растяжения и сжатия;

— исследованы особенности деформирования борированных образцов стали СтЗ, в которых при нагружении наблюдается формирование развитой мезоструктуры и увеличение пластичности по сравнению с поверхностно неупрочненными образцами;

— показано влияние геометрии границы раздела и толщины упрочненного слоя на характер растрескивания хрупких упрочненных слоев и развитие пластической деформации на мезомасштабном уровне при нагружении поверхностно упрочненных малоуглеродистых сталейна основе экспериментальных исследований сформулированы практические рекомендации по оптимизации структуры и толщины упрочненного слоя для композиций с хрупкими упрочняющими слоями для обеспечения максимальных характеристик прочности и пластичности.

Практическая ценность работы.

На основании сравнительного анализа закономерностей деформирования и разрушения изученных композиций «боридный слойконструкционная сталь» сформулированы рекомендации по выбору оптимальной структуры и толщины поверхностно упрочненных образцов с хрупкими поверхностными слоями. Полученные данные были использованы для моделирования поведения структурно-неоднородных материалов.

Связь с государственными программами и НИР. Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: интеграционная программа фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН: проект № 77 «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий» (1997;1999 гг.) — «Физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред» (основные задания к плану НИР ИФПМ СО РАН на 1995;2000 гг.) — Федеральной целевой научно-технической программы исследований и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения по проекту «Компьютерное конструирование градиентных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения для объектов техники энергетического и нефтегазового комплексов и разработка технологий их производства» (2000;2002 гг.) — молодежный проект РАН «Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики» (2001;2003 гг.) — научно-технический проект, посвященный 100-летию со дня рождения академика М. А. Лаврентьева «Мезомеханика внутренних границ раздела высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий» (2000;2002 гг.) — научно-технический проект администрации Томской области, посвящённый 400-летию города Томска «Комплекс технологий для восстановления объектов энергетического оборудования» (1999;2000 гг.) — молодежный грант на проведение научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах Томского политехнического университета «Разработка критериев поверхностного упрочнения конструкционных сталей на основе физической мезомеханики материалов» (2003 г.) — грант РФФИ «Мезомеханика структурных неустойчивостей и вихревой характер пластического течения в деформируемом твёрдом теле» № 99−01−583.

1999;2001 гг.) — грант РФФИ «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов» № 00−15−96 174 (2000;2002 гг.) — интеграционном проекте СО РАН № 45 «Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники» (2000;2002 гг.) — грант Президента РФ поддержки ведущих научных школ «Школа академика В. Е. Панина: Физическая мезомеханика наноматериалов, тонких пленок и конструкционных материалов с наноструктурированным поверхностным слоем» № НШ-2324.2003.1 (2003;2005 гг.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов'98», Томск, 1998; вторая Всероссийская конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов'99», Томск, 1999; третья Всероссийская конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов'2000», Томск, 2000; 5-я областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 1999; VI областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2000; VII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2001; VIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2002; IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2003; X Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2004; 3-ий Российско.

Корейский научно-практический симпозиум «KORUS'99», Новосибирск, 1999; 4-ый Российско-Корейский научно-практический симпозиум «KORUS'2000», Республика Корея, Ульсан, 2000; 5-ый Российско-Корейский научно-практический симпозиум «KORUS'2001», Томск, 2001; 5-ый Российско-Китайский Международный симпозиум «Новые материалы и технологии», Томск, 1999; VI Всероссийская научно-техническая конференция «Механика летательных аппаратов и современные материалы», Томск, 1999; региональная школа-семинар «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 2000; вторая региональная школа-семинар «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 2001; третья региональная школа-семинар «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 2002; пятая региональная школа-семинар «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 2004; II Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2000; Международная конференция «Mesomechanics'2000», Китай, 2000; конференция молодых учёных, посвященная 100-летию М. А. Лаврентьева, Новосибирск, 2000; конференция молодых учёных, посвящённая М. А. Лаврентьеву, Новосибирск, 2001; Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков», Томск, 2000; вторая Всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», Томск, 2003; Международный Workshop «Mesomechanics: foundation and applications», Tomsk, 2001; шестой Китайско-Российский Международный симпозиум «New Materials and Technologies», Китай, 2001; вторая Международная научно-техническая конференция.

Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред", Барнаул, 2001; региональная конференция студентов, аспирантов, молодых учёных «Наука, Техника, Инновации'2001», Новосибирск, 2001; Международный симпозиум «New trends in Fatigue and.

Fracture", Тунис, Хаммамет, 2003; региональная школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства-2003», Томск, 2003; Международный workshop «Mesomechanics: fundamentals and applications», Томск, 2003; V Международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». Санкт-Петербург, 2003.

Публикации. Результаты работы изложены в 36 публикациях (5 статей в рецензируемых журналах и 31 статья в сборниках трудов конференций). Перечень основных публикаций приведен в библиографическом списке [98 118,120−127].

Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 128 страницах, содержит 63 рисунка и 2 таблицы. Библиографический список включает 127 наименований.

4.4. Выводы к главе 4.

1. В условиях сжатия боридные слои с игольчатой границей раздела толщиной до 80 мкм приводят к значительному повышению прочностных характеристик поверхностно упрочненных образцов стали 15НЗМА.

2. Значительная макролокализация деформации в подложке из стали 15НЗМА при образовании магистральной трещины в толстом боридном слое (толщиной 100 мкм и больше) в условиях сжатия приводит к смене характера формоизменения образцов с бочкообразного на призматический.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса ТОМБС проведено исследование влияния профиля границы раздела на характер пластической деформации и разрушения на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталей. В работе варьировали профиль границы раздела «упроченный поверхностный слой — матрица» (игольчатый, зубчатый, плоский), тип подложки (сталь СтЗ в качестве модельного материала, а также долотная сталь 15НЗМА), условия нагружения (растяжение/сжатие, поскольку борированные детали используются в узлах трения, испытывающих в процессе эксплуатации различные условия нагружения). В результате проведенных исследований были выявлены закономерности возникновения и релаксации мезоконцентраторов напряжений в области границы раздела в поверхностно упрочненных образцах.

Полученные результаты позволили сформулировать следующие выводы.

1. Мезоконцентраторы напряжений, стохастически распределенные на игольчатой границе раздела в борированной стали СтЗ, при толщине упрочненного слоя до 80 мкм, обеспечивают однородную сдвиговую деформацию в объёме материала и растрескивание боридного слоя по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений, что обеспечивает одновременное повышение как прочности, так и пластичности образцов. Дальнейшее увеличение толщины боридного слоя приводит к уменьшению всех механических характеристик.

2. Боридные слои с зубчатым профилем границы раздела, сформированные на предварительно цементированной стали СтЗ, приводят к повышению прочностных характеристик образцов независимо от толщины и схемы нагружения.

3. Наличие боридного слоя с игольчатым профилем границы раздела на поверхности образцов легированной стали 15НЗМА приводит к снижению показателей прочности и пластичности при растяжении. В условиях сжатия боридные слои толщиной до 80 мкм приводят к значительному повышению прочностных характеристик поверхностно упрочненных образцов.

4. Создание зубчатого/игольчатого профиля границы раздела «упрочненный поверхностный слой — основа», а также введение градиентного переходного слоя, может быть рекомендовано для поверхностного упрочнения малоуглеродистых сталей.

5. Предложенная в работе методика визуализации характера релаксации мезоконцентраторов напряжений с использованием оптико-телевизионного комплекса ТОМ8С может быть эффективно использована для оптимизации режимов поверхностного упрочнения.

БЛАГОДАРНОСТИ.

За помощь в получении и обсуждении результатов автор выражает благодарность и глубокую признательность сотрудникам ИФПМ СО РАН и ТПУ к.ф.-м.н. Деревягиной Людмиле Сергеевне, д.ф.-м.н. Колубаеву Александру Викторовичу, к.ф.-м.н. Панину Алексею Викторовичу, академику РАН Панину Виктору Евгеньевичу, к.т.н. Панину Сергею Викторовичу, к.ф.-м.н. Почивалову Юрию Ивановичу, к.т.н. Сапожникову Сергею Викторовичу, д.т.н. Сизовой Ольге Владимировне, д.т.н. Слосману Аркадию Иосифовичу, к.т.н. Трусовой Галине Витальевне.