Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности пластического течения поверхностных слоев металлов и сплавов в условиях статического и циклического деформирования 13
1.1. Закономерности пластического течения поверхностных слоев металлических материалов при деформации 13
1.2. Барьерный эффект приповерхностного слоя на начальных стадиях деформирования. Формирование физического предела текучести 18
1.3. Роль приповерхностных слоев в накоплении усталостных повреждений и формировании физического предела выносливости 23
1.4. Выводы по 1-ой главе 28
Глава 2. Использование мультифрактальных представлений при изучении структуры и особенностей пластической деформации и разрушения металлических материалов .. 29
2.1. Представления о системном характере строения материалов 29
2.2. Количественное описание сложных структур н концепция фракталов 33
2.3. Мультифрактальная параметризация структур 39
2.4. Цифровое представление и классификация параметризуемых структур 44
2.5. Стадийность процессов пластической деформации и разрушения 48
2.6. Системные аспекты эффекта приповерхностного слоя 53
2.7. Возможность улучшения механических свойств металлических материалов путем поверхностного модифицирования 55
2.8. Выводы по 2-ой главе 57
Глава 3. Влияние топографической структуры поверхности на механические свойства металлических материалов 58
3.1. Описание топографических структур 58
3.2. Обзор исследований по влиянию топографической структуры поверхности на механические свойства металлических материалов 61
3.3. Экспериментальное исследование влияния топографической структуры поверхности на механические свойства сплавов на основе молибдена 65
3.4. Экспериментальное исследование влияния топографической структуры поверхности на механические свойства мартенситно-стареющей стали 86
3.5. Взаимосвязь механических свойств металлических материалов с мультифрактальными характеристиками топографической структуры их поверхности 113
3.6. Влияние низкоэнергетического потока ионов аргона на топографическую структуру поверхности и механические свойства мартенситно-стареющей стали 139
3.7. Влияние топографической структуры поверхности на статические и циклические свойства Ti-Ni сплавов 155
3.8. Выводы по главе 3 157
Глава 4. Влияние состояния поверхностных слоев и покрытий на механические свойства металлических материалов 159
4.1. Обзор исследований по влиянию покрытий и состояния поверхностных слоев на изменение механических свойств материалов 160
4.2. Экспериментальное исследование влияния рениевых и медных покрытий на свойства технически чистого молибдена при статическом растяжении 167
4.3. Влияние нанесения магнетронных покрытий из сплава Mo-45,8Re на свойства молибденовых сплавов при статическом растяжении 189
4.4. Особенности структурной самоорганизации в приповерхностных слоях молибдена с магнетронным покрытием на разных стадиях деформации 203
4.5. Влияние обезуглероживания на свойства и особенности разрушения технически чистого молибдена при статическом растяжении 216
4.6. Влияния магнетронных покрытия из алюминия и нержавеющей стали 12Х18Н10Т на механические свойства стали 00Н16К4М4Т2Ю при статическом растяжении 224
4.7. Феноменологическая модель влияния модифицированного поверхностного слоя на процессы структурной самоорганизации в приповерхностных слоях металлических материалов 249
4.8. Выводы по главе 4 251
Глава 5. Изучение структурных преобразований в поверхностных слоях металлических материалов в результате направленных внешних воздействияй различной природы 253
5.1. Изучение изменений зеренной структуры алюминиевого сплава при ударном воздействии скоростной частицы 254
5.2. Исследование воздействия лазерного излучения на структуру тонких слоев медных сплавов 265
5.3. Исследование влияния импульсов дейтеривой плазмы на поверхность хромомарганцевой стали 276
5.4. Исследование процессов самоорганизации топографической структуры покрытий, формирующихся из паровой фазы 281
5.5. Оптимизация технологии микродугового оксидирования алюминиевого сплава 290
5.6. Изучение особенностей структурной самоорганизации эпитаксиальных слоев gan на сапфировой подложке 314
5.7. Исследование формирования наноструктурных композитных фуллереноосновных пленок Ceo-CdTe 324
5.8. Выводы по главе 5 335
Общие выводы 337
Литература 340
- Роль приповерхностных слоев в накоплении усталостных повреждений и формировании физического предела выносливости
- Цифровое представление и классификация параметризуемых структур
- Взаимосвязь механических свойств металлических материалов с мультифрактальными характеристиками топографической структуры их поверхности
- Влияние нанесения магнетронных покрытий из сплава Mo-45,8Re на свойства молибденовых сплавов при статическом растяжении
Введение к работе
Актуальность работы.
Модификация поверхности металлических материалов оказывает влияние на их механические характеристики. Однако большинство исследований в этом направлении были проведены для случаев модификации поверхности металлов на относительно большую глубину порядка, причем основное внимание уделялось вопросам повышения износостойкости и коррозионной стойкости (поверхностное пластическое деформирование, химико-термическая обработка). Из механических свойств затрагивались только вопросы повышения характеристик усталости, причем главным образом за счет создания в поверхностном слое как можно больших напряжений сжатия, когда в основном металле под поверхностью создается ослабленная зона с растягивающими напряжениями. Вопросу создания тонких (толщиной порядка 0,5-20 мкм) модифицированных слоев с целью улучшения именно характеристик прочности и пластичности металлических материалов посвящено сравнительно мало публикаций. В то же время, согласно литературным данным, именно таким путем с использованием современных, в том числе ионно-вакуумных технологий, можно достигнуть лучших результатов как с точки зрения механических свойств, так и с точки зрения затрат. За последние 20 лет наиболее последовательно данную проблему затрагивали научные школы И.Р. Крамера (США), В.П. Алехина -М.Х. Шоршорова и В.Ф. Терентьева - B.C. Ивановой (Россия), а в последнее время и школа академика В.Е. Панина (с позиций мезомеханики). Однако, систематических исследований выполнено еще недостаточно. В частности, очень мало публикаций, посвященных конструкционным металлическим материалам (особенно находящемся в высокопрочном состоянии); не до конца выяснено существование опережения процессов структурных изменений в приповерхностном слое на различных стадиях пластической деформации вплоть до разрушения; не проработан вопрос о масштабном характере глубины такого слоя и окончательно не выяснено какую оптимальную глубину должен иметь модифицированньш слой для достижения лучших механических характеристик; мало данных о влиянии современных ионно вакуумных методов модифицирования на особенности протекания структурных изменений и механические свойства высокопрочных материалов.
Для решения этих вопросов необходимо: провести экспериментальные исследования по влиянию современных методов ионно-вакуумиого поверхностного модифицирования на особенности протекания структурных изменений и механические свойства конструкционных металлических материалов, достаточно подробно рассмотреть влияние глубины модификации, исходного структурного состояния и размеров образцов, исследовать особенности процессов деформации и разрушения приповерхностных слоев металлических материалов без модифицирования и после модифицирования на различную глубину.
Необходимость количественного описания структур металлических металлов в ходе процессов деформации и разрушения, в том числе описание различий в особенностях деформирования приповерхностных и внутренних слоев и их поверхностей разрушения, поверхностей со сложной геометрией, делает целесообразным кроме общепринятых структурных параметров и методик, использовать показатели, которые смогли бы учесть форму и особенности взаиморасположения элементов изучаемых структур. Такие возможности обеспечивает применение положений системного подхода. Одной из разновидностей такого подхода является использование мультифрактальных представлений, которое стало возможным благодаря развитию в последние годы теоретических представлений о фракталах и мультифракталах.
Настоящая диссертационная работа выполнена в Лаборатории механических свойств конструкционных материалов ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН в рамках: Основных направлений научных исследований РАН по проблемам 2.5 и 2.11, ведущей научной школы Российской Федерации (проект РФФИ 96-15-98243), грантов РФФИ 04-03-32431 и 98-01-00009а, ФЦП "Интеграция" (проекты А-0032 и В-0101), программ фундаментальных исследований Президиума РАН (Гос. контракт № 30/03 от 01.04.2003 г., Протокол №4 от 15.04.2004 г.).
Цель работы. Исследовать связь структурных изменений и механических свойств металлических материалов при модификации поверхности с использованием мультифрактальных представлений.
Задачи работы.
- Использовать мультифрактальные представления при изучении структуры и особенностей пластической деформации и разрушения металлических материалов. Создать методологию количественной параметризации, позволяющую количественно оценивать форму и особенности взаиморасположения элементов изучаемых структур материалов.
- Исследовать влияние изменения топографической структуры поверхности на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения сплавов молибдена и мартенситно-стареющей стали при статическом и циклическом нагружении.
- Исследовать влияние ионно-плазменных покрытий разной толщины из меди, рения и молибден-рениевого сплава и поверхностного обезуглероживания на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения сплавов молибдена при различном диаметре образцов.
- Исследовать влияние нанесения магнетронных покрытий из алюминия и стали 12Х18Н10Т разной толщины на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения мартенситно-стареющей стали О0Н16К4М4Т2Ю в разном структурном состоянии при различном диаметре образцов.
- Установить характерную глубину приповерхностного слоя, в котором структурные изменения при деформации исследуемых материалов протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами.
- Предложить рекомендации по оптимизации глубины модификации поверхности в целях повышения механических свойств металлических материалов.
- Исследовать процессы структурных преобразований в приповерхностных слоях металлических материалов при направленных внешних воздействиях, характерных для современных технологий модификации поверхности материалов (ударное воздействие высокоскоростной частицы; воздействие микродуговых разрядов, лазерного и ионного облучений). Установить оптимальные режимы воздействий и обосновать выбор управляющих параметров, сформулировать рекомендации по оптимизации технологий обработки поверхности.
Научную новизну характеризуют следующие основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:
- Развито новое научное направление, связанное с использованием мультифрактальных представлений в металловедении. В его рамках создана и успешно опробована на практике методология мультифрактальной параметризации, позволяющая проводить количественную оценку общей конфигурации изучаемых структур материалов, а также сравнивать термодинамические условия их формирования.
- Предложены основы классификации структур металлических материалов с точки зрения их количественной параметризации, что позволило выработать типичные подходы при проведении их компьютерной аппроксимации и последующих расчетов мультифрактальных характеристик.
- Предложено рассматривать приповерхностные слои как подсистему, входящую в общую систему деформируемого материала. При этом подсистема внутренних объемов ответственна за внутренние свойства системы, а подсистема приповерхностных слоев - за обмен системой энергией, веществом и информацией с окружающей средой и определяет внешние свойства системы в данной окружающей среде. Соответственно этому появляется возможность посредством изменения свойств подсистемы приповерхностных слоев эффективно управлять свойствами системы в целом.
- Экспериментально показано, что модифицированием поверхности сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю на глубину 1-7 мкм путем нанесения ионно-вакуумных покрытий, обезуглероживания, изменения топографической структуры в ряде случаев удается одновременно заметно повысить показатели прочности и пластичности, что сложно достигнуть при использовании традиционных объемных методов модифицирования материалов.
- Для сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю установлен относительный характер глубины возникающего при деформировании приповерхностного слоя, в котором структурные изменения протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами металла. Это позволило предложить новый параметр для оценки модификации поверхности h/d, где А - глубина модифицирования (толщина покрытия, максимальная глубина поверхностных дефектов и т.п.), ad- диаметр образца.
- Для всех исследованных материалов независимо от структурного состояния и диаметров образцов выявлены две характерные зоны приповерхностного слоя: общая зона с М/ 0,005..Д01 и зона наиболее интенсивного протекания структурных изменений с М/к0,001... 0,003. Это позволяет рекомендовать оптимальную относительную глубину поверхностной модификации h/d не более 0,01, но не меньше глубины имеющихся на поверхности микродефектов.
- Установлено, что важной причиной улучшения характеристик прочности, пластичности и усталости при модифицировании поверхности молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю является увеличение равномерности, снижение локализации и замедление процессов зарождения поверхностных микротрещин.
- Экспериментально показано, что при статическом растяжении вплоть до разрушения отожженного молибдена субзеренная структура в приповерхностных и внутренних слоях отличаются. Нанесение покрытия Mo-46%Re подавляет протекающие в материале приповерхностного слоя при деформировании процессы измельчения субзеренной структуры и рост плотности дислокаций в малоугловых границах (на стадии микропластического деформирования) и рост плотности дислокаций в зернах приповерхностного слоя (на стадии макропластического деформирования).
- С использованием мультифрактальных представлений обнаружены не выявляемые традиционными методами отличия структур, эффекты кластеризации, границы масштабного интервала существования структур, а также экспериментально обнаружить и впервые количественно описать явления перехода одного типа структуры металлического материала в другой тип. Данные переходы можно интерпретировать как «точку бифуркации».
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- Разработаны методики мультифрактальной параметризации применительно к различным топографическим, зеренным, поровым и кластерным структурам (сплавы молибдена, мартенситно-стареющая и аустенитная стали, алюминий, медные сплавы, оксидное покрытие, покрытие из золота, эпитаксиальные слои GaN, фулереновые композиции) и в ряде случаев обнаружены корреляции полученных мультифрактальных характеристик с эксплуатационными свойствами и технологическими параметрами обработок.
- Показано, что использование мультифрактальных представлений в сочетании с общеизвестными методами изучения структур является перспективной основой для разработки методов опознавания сложных трудноразличимых друг от друга структур, методов прогнозирования и контроля физико-механических свойств и повреждаемости поверхности при внешних воздействиях.
- Для изученных материалов независимо от их структурного состояния и диаметров образцов рекомендовано проводить модифицирование поверхности на глубину h/d не более 0,01, но не меньше глубины имеющихся на поверхности микродефектов.
- Выявленные закономерности влияния модифицирования поверхности на механические свойства исследованных металлических материалов могут быть использованы для дальнейшего развития теории прочности и пластичности, а также для разработки новых технологий упрочнения и оптимизации уже имеющихся технологий, связанных с модифицированием структуры поверхности металлов и сплавов.
- Сформулированы рекомендации по оптимизации модификации поверхности молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю, ионно-вакуумному осаждению покрытий из золота на кремниевую подложку, получению полупроводниковых эпитаксиальных слоев GaN, созданию наноструктурных композиций на основе фуллеренов, микродуговому оксидированию алюминиевого сплава. Сделана оценка повреждаемости медных сплавов лазерным излучением и стали Х12Г20В облучением импульсами дейтериевой плазмы.
- Результаты исследований и методические разработки были использованы в "ВНИИНМ им. А.А. Бочвара", "НПО ТЕХНОМАШ", ФГУП "Московский институт теплотехники", "КБ Химического машиностроения им. A.M. Исаева", ОАО «Московский радиотехнический завод», ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. академика Н.А. Пилюгина», Бурятском НИИ высоких технологий, Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
- Полученные научные и методические наработки включены в 5 учебных пособий и используются в учебном процессе в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, Воронежском государственном техническом университете, Липецком государственном техническом университете, Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете), Учебно-научном центре "Металлургия" и Научно-образовательном центре Московского региона в области фундаментальных проблем радиационной физики твердого тела и радиационного материаловедения.
- Разработана установка для оценки усталостных характеристик тонких проволок и волокон. На установку получен Патент Российской Федерации на изобретение № 2163716 от 27.02.2001 г..
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены на 42 совещаниях и конференциях всероссийского и международного уровня, в том числе на таких как: Х111 международная конф. "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Самара, 1992 г.); Int. Conf. "EUROMAT 94 TOPICAL", (Венгрия, Balatonszeplak, 1994 г.); 1-ая международная конф. "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994 г.); XIV Международная конф. по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995 г.); Ill Russian-Chinese Symp. "Advanced Materials and Processes" (Калуга, 1995 г.); The 11th Biennial European Conf. on Fracture ECF 11 (Франция, Poitiers-Futuroscope, 1996 г.), 3-ий Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2000 г.); Междунар. науч. конф. «Синергетика 2000» (Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.); Междунар. семинар "Мезоструктура" (С.Петербург, 2001 г.); 9th Int. Symp. "Nanostractures: Physics and Technology" (С.Петербург, 2001 г.); II междунар. междисциплинарный симп. «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2001 г.); 1-ая Евразийская науч.-практич. конф. "Прочность неоднородных структур" ПРОСТ 2002 (Москва, 2002 г.); Междунар. конф. "Байкальские чтения -II по моделированию процессов в синергетических системах" (Максимиха, 2002 г.); Междунар. школа-семинар "Нелинейные процессы в дизайне материалов" (Воронеж, 2002 г.); Всероссийская науч.-технич. конф.(с международным участием) "Методы и технические средства оперативной оценки структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин" (Москва, 2002 г.); Междунар. междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика ФиПС-03» (Москва, 2003 г.); 2-ая Евразийская науч,-практич. конф. "Прочность неоднородных структур" ПРОСТ 2004 (Москва, 2004 г.);
Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 150 печатных работ, в т.ч. 4 монографии, 5 учебных пособий, 50 статей в отечественных и зарубежных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Она содержит 376 страниц машинописного текста, включая 154 рисунка, 47 таблиц и список литературы из 425 наименований.
Роль приповерхностных слоев в накоплении усталостных повреждений и формировании физического предела выносливости
В настоящее время хорошо известно, что в подавляющем числе случаев зарождение усталостных трещин начинается в поверхностных или приповерхностных слоях металла [82,83]. Поэтому очень важно знать закономерности пластического поведения приповерхностных слоев металла в условиях циклического деформирования. Особенности поведения приповерхностных слоев металла при усталости и их влияние на циклическую прочность рассмотрены в ряде работ [3,9,10,12,19,22,159-161]. Предложены различные специальные механизмы генерации дислокаций в приповерхностных слоях металла в условиях циклического деформирования. В частности, В.П. Алёхин [19] предложил диффузионно -дислокационный механизм микродеформации, сущность которого заключается в том, что в поле приложенных внешних напряжений изменяется химический потенциал точечных дефектов и в материале возникают соответственно направленные диффузионные потоки. В приповерхностных слоях и в особенности в условиях циклического нагружения указанные процессы протекают более интенсивно вследствие того, что свободная поверхность является областью облегченного зарождения и стока точечных дефектов.
У ряда металлических материалов при определенных условиях наблюдается физический предел выносливости, когда образцы, испытываемые на усталость, при определенном напряжении не разрушаются на больших базах испытания. Анализ гипотез о природе физического предела выносливости дан в ряде работ [82,83,95,162-167]. Их можно условно разделить на несколько групп.
К первой группе относятся гипотезы о влиянии исходной блокировки дислокаций, связывающие физический предел выносливости с металлами и сплавами, склонными к деформационному старению. Согласно этим гипотезам циклическое нагружение выше предела выносливости должно приводить к интенсивной разблокировке дислокаций от атмосфер типа Коттрелла и началу усталостной деформации, приводящей впоследствии к разрушению. Гипотезы, относящиеся ко второй группе, рассматривают процесс динамического деформационного старения (характерен прежде всего для ОЦК металлов), при котором в условиях циклического деформирования наблюдается относительное медленное, но эффективное закрепление дислокаций в результате динамического деформационного старения. Предел выносливости толкуется как такое максимальное напряжение, при котором процессы разблокировки, блокировки дислокаций и накопления повреждений взаимно уравновешены. Третья группа гипотез рассматривает физического предела вьшосливости как природное свойство кристаллической структуры металлического материала. В частности его проявление некоторые ученые связывают с существованием порогового напряжения образования полос скольжения [163]. Однако рассмотренные выше гипотезы не согласуются с целом рядом экспериментальных данных, в том числе с: превышением в ряде случаев величины предела выносливости над величиной статического предела текучести, зависимостью наличия предела вьшосливости от размера зерна, наличием предела вьшосливости у ряда металлических материалов с ГПУ и ГЦК кристаллическими решетками. В некоторых работах прямо делается вывод, что в настоящее время трудно дать единую интерпретацию появления физического предела вьшосливости у металлов и сплавов с разным типом кристаллической решетки [ 163].
В.Ф. Терентьевым [12] была предложена гипотеза о природе физического предела вьшосливости ОЦК - металлов и сплавов, основанная на идеи барьерного действия более прочного приповерхностного слоя глубиной порядка размера зерна, формирующегося с опережением (по сравнению с внутренними объемами металла) на ранних стадиях циклического нагружения при напряжении предела вьшосливости. При этом автор исходил из предпосылки, что у ОЦК - металлов и сплавов природа таких феноменов, как физический предел текучести и физический предел выносливости должна быть взаимосвязана. Было показано [12,82,83,166], что физический предел вьшосливости у углеродистых сталей наблюдается лишь в том случае, если в них достижению макроскопического (физического) предела текучести предшествует микропластическая деформация (стадия микротекучести) приповерхностного слоя глубиной порядка размера зерна. На стадии микротекучести может наблюдаться и микропластическая деформация всего объема материала, но она на порядок меньше, чем деформация приповерхностного слоя. В результате этой преимущественной микропластической деформации на пределе выносливости в ОЦК - металлах и сплавах формируется более прочный приповерхностный слой, который является барьером для выхода дислокаций на поверхность. Тем самым тормозится развитие процессов сдвигообразования и повреждаемости. Особенности пластической деформации ОЦК - металлов (например, большое число систем скольжения, облегченность поперечного скольжения и др.) и склонность к динамическому деформационному старению способствуют созданию такого более прочного приповерхностного слоя. Таким образом, формируется физический предел выносливости.
Формирование физического предела выносливости имеет стадийный характер (рис. 1.2.) [82,83,168]. В условиях циклического деформирования при напряжениях близких к пределу выносливости существуют два этапа формирования более прочного приповерхностного: слоя: первый этап протекает также как и при статическом деформировании, когда на стадии циклической микротекучести наблюдается преимущественное течение этого слоя; второй этап связан с общим пластическим течением металла и протекает вплоть до базового числа циклов нагружения NG, причем сохраняется большая интенсивность пластической деформации этого слоя и его барьерный эффект, даже при возникновении в нем повреждаемости (микротрещин).
В отличии от случая статического нагружения в условиях усталости процесс формирования прочного приповерхностного слоя более локализован. Наличие в ряде случаев усталостных зон макроскопической деформации приводит к тому, что этот приповерхностньш слой неоднороден по своему структурному состоянию (рис. 1.3.) [82,83,168]. Внутри металла к моменту достижения базового числа циклов нагружения развивается дислокационная ячеистая субструктура, а в приповерхностном слое глубиной порядка размера зерна, наряду с ячеистой и полосовой структурами, имеются усталостные полосы скольжения с системой нераспространяющихся суб- и микротрещин.
Цифровое представление и классификация параметризуемых структур
"Координаты" пикселов на плоскости представляют собой номера рядов и колонок в матрице пикселов (с помощью которой представляются изображения в цифровом виде) и так же задаются целыми числами. Значение цветовой характеристики можно интерпретировать как высоту рельефа в данной точке (пикселе) изображения (рис. 2.7). Таким образом, используя цветовую характеристику пиксела как обычное число, мы можем представить себе плоское изображение в виде рельефа поверхности в трехмерном пространстве. Причем координаты точек этой поверхности имеют целочисленные значения. При изучении топографических структур вместо характеристики цвета можно использовать и непосредственно значение высоты рельефа изучаемой поверхности (после нормировки и/или дискретизации для получения целочисленных значений высоты). Примерами подобных структур могут служить трехмерные цифровые изображения поверхности материалов, полученные с помощью туннельного микроскопа, или трехмерные цифровые изображения географического рельефа. Генерируемая по характеристике цвета или высоты z(ij) мера /% = z0ij)ffij(z0j)) & множестве элементарных ячеек (пикселов) может непосредственно использоваться для мультифракталъного анализа изображений. В простом случае (вероятностная мера) высота всех столбиков на рис. 2.7 будет равна «1».
Подготовка компьютерных изображений является ключевым этапом для всего процесса параметризации структуры материала. На данном этапе исследователь-материаловед должен выбрать из всей совокуішости имеющихся в материале структур именно ту, которая в данном конкретном случае оказывает определяющее влияние на эксплуатационные, технологические или другие характеристики материала. После выбора структуры ее необходимо классифицировать, то есть отнести к определенному типу структуры, например, по размерности (одномерной, двумерной или трехмерной (точнее - рельефной) и по виду (сетчатой, пятнистой, дисперсной и т.д.). На основе имеющихся в наличии изображений изучаемой структуры и классификации выбирается способ перевода изображений в цифровую компьютерную форму, иначе говоря, способ дискретной аппроксимации. Для наиболее часто встречающихся в практике материаловедения двумерных структур аппроксимация сводится к получению при помощи современных средств ввода и предобработки изображений (цифровых видео- (фото)камер, сканеров и др.) их компьютерных изображений в виде графических файлов BMP-формата в режиме bitmap. Полученные таким образом компьютерные изображения струкіур представляют собой двумерные массивы размером LxL ячеек видеопамяти (пикселей), состоящее из совокупности нулей (белые ячейки) и единиц (черные ячейки). В этом случае каждый элемент массива принимает только два возможных значения — «1», если на ячейку приходится единичный элемент рассматриваемого сегмента структуры или «О» — в противном случае.
Для рельефных изображений аппроксимация может выполняться двумя способами. Один способ является усложненным вариантом описанного выше способа аппроксимации для двумерных изображений и предполагает получение компьютерных изображений в формате BMP в режиме оттенков серого цвета или многоцветном режиме. При этом важно, чтобы значения третьей координаты z(itj\ по которой генерируется мера, были строго поставлены в соответствие оттенкам цвета. При таком способе требуется предварительные разбивка интервала изменений значений z(ij) на подинтервалы, число которых соответствует выбранному режиму компьютерного графического формата, и введение в программу расчетов таблицы соответствия оттенков цвета и подынтервалов значений z(jj) (проведение нормировки и/шш дискретизации). Другой способ предполагает возможность использования сразу трехмерных цифровых матриц, где две координаты представляют собой "координаты" пикселов на плоскости изображения, а по третьей координате z(i,j) генерируется мера. Подобные компьютерные файлы с записью трех координат можно получить, например, с помощью современного туннельного микроскопа. При этом значения z{ij) соответствуют значениям высоты рельефа на элементарной ячейке изображения.
Исходные изображения структур должны быть высокого качества, а именно — высококонтрастными, с четко различимыми элементами исследуемой структуры, так как важно, чтобы ячейки со значением «1» (или «О») соответствовали именно элементам структуры, а не шуму или артефактам. Например, при изучении зеренной структуры элементарные ячейки должны аппроксимировать только конфигурацию границ зерен, а не царапины или другие дефекты шлифа. Это достигается за счет применения как традиционных средств материаловедения, так и современных компьютерных программ обработки изображений.
Можно предложить следующую классификацию наиболее часто рассматриваемых в материаловедении структур, различающихся особенностями аппроксимации: а) Конфигурация границ зерен в плоскости шлифа представляет собой один из вариантов сетчатой структуры (другой примером сетчатой структуры - структура растрескивания). Поскольку при мультнфрактальиом анализе рассматривается расіфеделение какой-либо величины на геометрическом носителе, то для зереннои структуры изучается распределение элементов изображения, соответствующих границам зерен, в выделенном квадратном участке плоскости шлифа. При проведении параметризации зеренных структур нужно учитывать только конфигурацию собственно границ зерен, а не конфигурацию образующих ее элементов (толщину, форму и т.п.), которая даже на одном и том же шлифе может проявляться совершенно по разному в зависимости от условий травления, подготовки шлифа и т.п._ Исходя из этого при аппроксимации конкретной структуры необходимо таким образом выбирать размеры единичного элемента, чтобы достаточно подробно отразить конфигурацию сетчатой структуры в целом, но не вносить помех за счет образования привнесенной конфигурации отдельных структурных элементов. б) Структуры распределения фаз и пор по-другому можно также классифицировать как компонентные, пятнистые или иначе кластерные, так как они состоят из двух или более компонентов и их плоские изображения (микрофотографии шлифов) в подавляющем большинстве случаев выглядят как совокупность пятен разных форм и размеров. Особенностью таких структур, является то, что при их параметризации для полноты описания нужно учитывать не только конфигурацию взаимного расположения образующих ее элементов (пятен), но и конфигурацию собственно самих пятен (толщину, форму и т.п.). То есть при аппроксимации конкретной структуры необходимо таким образом выбирать размеры единичного элемента модельного изображения, чтобы достаточно подробно отразить не только конфигурацию структуры в целом, но и конфигурацию ее отдельных элементов, в) Топографические структуры. Данных по использованию методик мультифрактальной параметризации непосредственно трехмерных топографических структур в научной литературе еще нет. Описанная выше компьютерная программа мультифрактальной параметризации MFRDrom позволяет обрабатывать такие структуры. При этом, они могут быть заданы либо прямо в виде трехмерных цифровых матриц, либо в виде плоских серых или цветных изображений .
Взаимосвязь механических свойств металлических материалов с мультифрактальными характеристиками топографической структуры их поверхности
Полученные мультифрактальные характеристики и их взаимосвязь однозначно свидетельствуют о мультифрактальной природе поверхности разрушения. С учетом сведений, приведенных в главе 2У можно подчеркнуть, что мультифрактальные характеристики поверхности разрушения являются показателем диссипатнвньтх свойств материала при свободном разрушении и отражают поведение материала на этапе предразрушения и его сопротивление разрушению. В связи с этим, можно сказать, что мультифрактальные характеристики поверхности разрушения характеризуют и динамику развития дислокационной структуры, которая существовала в материале к моменту начала разрушения.
Особенности изменения механических свойств и визуально выявляемые различия картин изломов хорошо совпадают с рассмотренными выше литературными данными, и свидетельствуют о том, что поверхностные дефекты, являясь дополнительными гетерогенными источниками приповерхностных дислокаций, вносят искажения в процессы опережающего развития дислокационной структуры в приповерхностном слое и увеличивают их неравномерность.
На стадии микропластической деформации такое действие микродефектов на процессы самоорганизации структуры в приповерхностном слое вызывает снижение значений пределов пропорциональности сгт и текучести оо,2 образцов с поверхностными дефектами по сравнению с образцами с идеально гладкой поверхностью или с меньшими по размеру дефектами. В пользу этого свидетельствует и то, что разброс свойств с улучшением качества поверхности уменьшается. Чем больше размер поверхностных дефектов, тем более сильны искажения. При больших дефектах формирование барьерного слоя на этапе микропластической деформации может быть либо слабо выражено, либо он вообще не сможет сформироваться. С другой стороны видимо должен существовать такой минимальный размер дефектов R/ds начиная с которого вносимые дефектами искажения уже слабо влияют на процессы эволюции дислокационной структуры в приповерхностном слое. Этот критический параметр будет в определенной степени давать представление об эффективной глубине зоны протекания приповерхностных процессов.
Рост предела прочности сгв и относительного сужения y/Q улучшением качества поверхности связан с тем, что опережение в темпах самоорганизации структуры в приповерхностных слоях металлов сохраняется видимо и на этапе предразрушения. Вблизи дефектов дислокационная структура быстрее достигает такой степени развития, которая соответствует разрушенито (пороговой плотности дислокаций, при которой зарождаются субмикротрещины), в то время как в других местах приповерхностного слоя дислокационная структура еще не достигла в ходе своей эволюции соответствующего предразрушению состояния. Для образцов с необработанной после волочения поверхностью, имеющих поверхностные дефекты величиной до 44 мкм (/ =0,044), вносимые ими искажения настолько велики, что выраженный приповерхностный слой не формируется. Для электрополированных образцов, у которых поверхностные дефекты малы (Я/с/=0,001), напротив, на изломе заметен хорошо сформировавшийся приповерхностный слой. Уменьшение размера дефектов, вызывая уменьшение искажений и гетерогенности процессов эволюции дислокациогшой структуры в приповерхностном слое, где они протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами Мо ведет к повышению прочностных и пластических свойств образцов. Таким образом, поверхность, где имеются дефекты, является предпочтительным местом начала разрушения. Местом зарождения магистральной трещины судя по всему являются наиболее крупные дефекты на поверхности образца в зоне шейки. Снижение размера поверхностных дефектов должно приводить с одной стороны к уменьшению искажений процессов эволюции дислокационной структуры приповерхностных слоев, а с другой стороны к повышению напряжения для зарождения магистральной трещины. Таким образом, для образцов с меньшими по размеру поверхностными дефектами разрушение будет начинаться у поверхности в зоне шейки при больших степенях деформации и напряжения, чем для образцов с худшим качеством поверхности.
Отсутствие влияния качества поверхности на относительное удлинение S можно объяснить большой кратностью испытываемых образцов при относительно малой доле равномерной составляющей в общем остаточном удлинении.
Критический относительный размер поверхностных микродефектов R/d можно охарактеризовать, как такую величину дефектов, когда ускоренные процессы самоорганизации дислокационной структуры вблизи них будут протекать не настолько быстрыми темпами по сравнению с другими участками поверхности, чтобы структура приповерхностного слоя была в целом в достаточной степени однородна, несмотря на некоторые искажения вблизи дефектов. По критическому значению R/d можно примерно оценивать глубину от поверхности материала зоны, в которой протекают процессы активной самоорганизации фрактальных структур (для изученных материалов примерно 0,008...0,01).
Анализ мультифрактальных характеристик позволяет подтвердить и дополнить полученные результаты. Из таблицы видно, что мультифрактальные характеристики A], OTq fq Для изучаемых изломов различаются. Меньшие значения этих величин соответствуют излому приповерхностных слоев необработанных образцов, большие -излому приповерхностных слоев электрополнрованных образцов и наибольшие -излому внутренних слоев образцов. Так как набор этих величин характеризует конкретное состояние структуры, то можно утверждать, что разрушение, в результате которого возникли изучаемые изломы, происходило по разному. Этим подтверждаются выводы о том, что на этапе предраэрушения степень развития дислокационной структуры в приповерхностных слоях отличается от степени развития дислокационной структуры во внутренних объемах материала, а также о том, что поверхностные дефекты вносят искажения и изменения в процессы эволюции дислокационной структуры в приповерхностных слоях металлов.
Влияние нанесения магнетронных покрытий из сплава Mo-45,8Re на свойства молибденовых сплавов при статическом растяжении
Обнаруженные особенности изломов свидетельствуют в пользу того, что при уменьшении величины R/d образцов развитие дефектной структуры в приповерхностных слоях идет более равномерно и степень локализации их вблизи крупных дефектов уменьшается. Так при R/d=0t05S„ „0,048 образование зародышевых микротрещин происходит сразу на нескольких наиболее крупных поверхностных дефектах с последующей локализацией структурных изменений только в этих местах и относительно быстрым переходом одной из зародышевых трещин в макротрещину. Для образцов с малыми значениями R/d (около 0,01) зарождение микротрещины начинается после большего числа циклов или при больших амплитудах из незначительного по размерам поверхностного дефекта или даже у выходящей на поверхность частицы выделений {рис. ЗА 14), а ее рост до макротрещины продолжается более длительное время.
С учетом одинаковых условий усталостного нагружения материала можно предположить, что изменение усталостных характеристик связано с изменением процесса зарождения усталостной трещины, а не ее распространения. Зарождение в данном случае происходило с поверхности и, следовательно, связано с протеканием процессов самоорганизации структуры в приповерхностных слоях материала.
Рассмотренные особенности изменения усталостных свойств исследуемых образцов, их зеренной структуры н фрактографии подтверждают предположение о том, что поверхностные дефекты, являясь дополнительными гетерогенными источниками дислокации, вносят искажения и повышают неоднородность при формировании упрочненного приповерхностного слоя на этапе микропластической деформации.
Основная причина проявления у металлов явления физического предела усталостм на нормировашшх ГОСТом базах испытаний заключается с в том, что при напряжениях близких к пределу усталости на стадии циклической микротекучести имеет место формирование упрочненного приповерхностного слоя за счет преимущественного протекания процессов микропластической деформации в приповерхностных слоях [82,83,12]. Такой упрочненный приповерхностный слой может быть создан и за счет предварительной пластической деформации этого слоя или в результате поверхностной химико-термической обработки. Большая интенсивность пластической деформации в этом слое (даже при возникновении в нем микротрещин) сохраняется и при общей пластической деформации металла вплоть до базового числа циклов. Более прочный приповерхностный слой является барьером для выхода дислокаций и их скоплений на поверхность металла и тем самым тормозит развитие процессов структурной самоорганизации во внутрегпшх объемах металла (в том числе развитие процессов сдвигообразования и повреждаемости). Если прикладываемые амплитуды напряжения меньше определенного значения, необходимого для преодоления указанного барьерного эффекта, то образование и рост зародышевых микротрещин у поверхности, а также зон повреждений (пластических зон у вершин нераспространяющихся микротрещин) подавляется и наблюдается эффект физического предела усталости.
Влияние поверхностных дефектов, можно охарактеризовать следующим образом. Вблизи крупных поверхностных дефектов в ходе усталостного нагружения возникают локальные зоны, где по сравнению с остальной поверхностью при нагружении процессы структурной самоорганизации раньше достигают уровня, соответствующего появлению и росту зародышевых микротрещин. При меньшей величине поверхностных микродефектов уровень локализации деформационных процессов по приповерхностному слою будет ниже. При снижении значений R/d ниже определенного критического значения, меньшего или сопоставимого с глубиной барьерного приповерхностного слоя, уровни развития процессов структурной самоорганизации вблизи разных по размерам поверхностных микродефектов будут сглаживаться. При дальнейшем уменьшении величины R/d степень локализации процессов структурной самоорганизации у крупных дефектов изменяться уже практически не будет и, соответственно, не будет заметно повышаться сопротивляемость появлению и росту зародышевых мнкротрещин вплоть до их перехода к макротрещине.
Критическое значение величины R/d в определеіпюй степени позволяет оценить эффективную глубину протекания приповерхностных процессов и его следует рассматривать как параметр, контролирующий переход от локализации процесса структурных изменений у наиболее крупных поверхностных мнкродефектов к относительно однородному их протеканию в приповерхностном слое. Иначе говоря, приповерхностных слоев материала. Полученное для изучаемых материалов критическое значение Rfd совпадает со значением относительной глубины зоны интенсивного протекания процессов структурной самоорганизации hfd ж Rfd 0,01, полученным ранее [263,290,292,299].
Таким образом, уменьшение относительной величины поверхностных дефектов приводит к изменению динамики структурной самоорганизации в приповерхностных слоях, повышая однородность этих процессов и сглаживая их локализацию вблизи крупных дефектов. Это ведет к увеличению числа циклов до начала интенсивного появления и роста зародышей усталостных микротрещин, и увеличению значении физического предела усталости. В условиях усталостного нагружения, особенно реализуемого при испытаниях по схеме «изгиб с вращением» степень различия в уровнях развития процессов структурной самоорганизации между приповерхностным слоем и внутренними объемами металла существенно выше, чем в условиях статического нагружения [82,33,292]. В связи с этим, микропластическая деформация, предшествующая образованию зародышевых усталостных микротрещин, по-видимому, протекает только в приповерхностном слое. Это находит отражение в большей зависимости от состояния ТСП усталостных характеристик по сравнению со статическими: усталостная долговечность повышается в 5 раз, в то время как прочностные и пластические свойства при растяжении [292] - на 10...80 %. Заключение по разделу 3.4. - Уменьшение размеров поверхностных микродефекгов для проволоки из высокопро-шой мартенситно-старсющеи стали 00Н16К4М4Т2Ю позволяет увеличить предел выносливости на 50 %, а усталостную долговечность более чем в пять раз. Параметром оценки качества поверхности может служить максимальный относительный размер поверхностных микродефектов Rfd {R- абсолютный размер дефекта, d -диаметр образца). При достижении значений Rfd 0,01 дальнейшее увеличение качества поверхности не вызывает значительного увеличения свойств.
