Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Закономерности усталостного разрушения металлических материалов и композиций «основа-покрытие» на различных масштабных уровнях 11
1.1. Введение 11
1.2. Экспериментальные исследования усталостного разрушения металлических материалов на микро- и макромасштабном уровнях . 12
1.2.1. Микромасштабный уровень 12
12.2. Макромасштабный уровень 15
1.3. Экспериментальные исследования усталостного разрушения композиций «основа-покрытие» на микро- и макромасштабном уровнях. 20
1;3-1. Микромасштабный уровень 22
1.3.2; Макромасштабный уровень 23
1.4; Экспериментальные исследования усталостного разрушения металлических материалов на мезомасштабном уровне 26
1.4:1. Методология физической мезомеханики как основа изучения механического поведения деформируемых твердых тел: 27
1.4.2. Исследования усталостного разрушения металлических материалов на мезомасштабном уровней 30
1.5. Выводы 34
Глава 2. Постановка задачи; материал и методика экспериментальных исследований ; 36
2.1. Постановка задачи экспериментальных исследований 36
2.2. Материалы для экспериментальных исследований 37
2.3. Методика экспериментальных исследований 47
Глава З: Закономерности усталостного разрушения на мезомасштабном уровне дюралюмина д16ат и стали 20х13 57
3.1. Введение 57
3.2. Результаты экспериментальных исследований 58
3.2,1. Исследование усталостного разрушения дюралюмина Д16АТ 58
3.2.2- Исследование усталостного разрушения стали 20X13 64
3.3; Обсуждение результатов 71
ЗА. Выводы 76
Глава 4. Закономерности усталостного разрушения на мезомасштабном уровне композиций стали 20x13 с ni-cr-b- si-покрытиями
4.1. Введение 77
4.2. Результаты исследований 78
4.2.1. Исследование усталостного разрушения композиции сталь 20Х13+ПГ-12Н-01; 78
4.2.2. Исследование усталостного разрушения композиции сталь 20Х13+ПГ-10Н-01 84
4.3. Обсуждение результатов 91
4-4. Выводы 96
Глава 5. Исследование усталостного разрушения стали 20x13 и ее композиций с ni-cr-b-si-покрытиями с применением метода свободных колебаний 98
5.1. Введение 98
5.2. Результаты исследований 99
5.2.1. Исследование усталостного разрушения стали 20X13 99
5.2.2. Исследование усталостного разрушения композиции сталь 20Х13+ПГ-12Н-01 101
5.2.3. Исследование усталостного разрушения композиции сталь 20X13+ПГ-10Н-01 104
5.2.4. Исследование влияния деформирования образца стали 20X13 в пластической области на частоту его свободных колебаний 106
5.2.5. Исследование влияния нарушения сплошности материала в образце стали 20X13 на частоту его свободных колебаний 107
5.3. Обсуждение результатов 109
5.4. Выводы 113
Заключение 114
Литература 116
Приложения 134
- Экспериментальные исследования усталостного разрушения металлических материалов на микро- и макромасштабном уровнях
- Материалы для экспериментальных исследований
- Результаты экспериментальных исследований
- Результаты исследований
Введение к работе
Актуальность: темы. Подавляющее большинство конструкционных изделий при эксплуатации испытывает воздействие, переменных нагрузок, что является причиной, их усталостного разрушения. Согласно статистическим данным-до 90% повреждений деталей машин и элементов конструкций носит усталостный ^характер [1]. В связи с этим проблема;усталостного разрушения сохраняет актуальность и, несмотря на многолетнюю историю исследования, содержит ряд нерешенных научных и практических задач.
С точки, зрения научных представлений; об усталостном? разрушении;: металлических материалов наиболее сложными иважными являются вопросы, связанные с механизмами процессов, происходящих в пластической зоне в области вершины усталостной трещины [2-4]. Изучение процессов пластической деформации и разрушения в вершине трещины, установление качественной и количественной взаимосвязи между ними, а также совершенствование методов их изучения являются актуальными задачами; экспериментального исследования усталости металлов.
Проблема усталостного разрушения композиционных материалов представляется еще более сложной. В частности, как показывает практика: эксплуатации композиций - с защитными і покрытиями; нанесение: последних во многих, случаях, приводит к снижению, усталостных характеристик изделий, несмотря на повышение функциональных свойств [5,6]. Преодоление данного негативного влияния, оптимизация режимов: нанесения покрытий с целью повышения усталостной' прочности конструкционных изделий, в настоящее: время является важнейшей практической задачей.
Большое значение с точки зрения безопасности: и; надежности эксплуатации^ современных технических систем имеет диагностика усталостного разрушения их элементов, работающих в условиях переменного нагружения. Однако ввиду высокой: локальности усталостных процессов диагностика механического состояния остается технически сложной задачей, в особенности^ точки зрения оценки остаточного ресурса изделий [7,8]. Данное, обстоятельство обусловливает необходимость в совершенствовании методов диагностики усталостного разрушения.
Решение обозначенных задач требует применения новых научных подходов и: методов экспериментального исследования. В- последние два, десятилетия интенсивное развитие получил новый подход к изучению
механического поведения деформируемых. твердых тел на^ основе представлений о структурных уровнях- пластической < деформации; и разрушения. Концепция структурных уровней деформации и разрушения [9] была положена; в основу^ нового научного направления; «физическая; мезомеханика материалов» [10,11]!
Физическая мезомеханика. описывает нагруженное твердое тело: как иерархическую систему, в которой* процессы, деформации? и; разрушения инициируются в. поверхностных; слоях твердого тела: и: развиваются самосогласованно, на. микро-, мезо- и макромасштабном* уровнях.* Данный подход позволяет объединить представления- об элементарных, процессах; деформации* и* разрушения и макроскопическом-поведении? деформируемых, твердых тел. Как показали исследования ^последних лет, изучение процессов, пластической деформации-и разрушения в иерархи масштабных уровней, и прежде всего, на.мезоуровне, в значительной.степени способствует решению: самых; различных научных и-практических7 проблем механического поведения материалов при нагружении. Это относится и к перечисленным выше задачам, связанным с усталостным разрушением металлических материалов.
Цель работы состояла, в изучение процессов: пластической-деформации и разрушения на мезоуровне при развитии усталостной трещины в образцах: конструкционных материалов, и, их композиций: с защитными покрытиями, а,также в комплексном исследовании усталостного разрушениях применением оптико-телевизионного метода и. метода свободных колебаний. Задачи экспериментальных исследований, вытекающие: из; цели: настоящей: работы, сформулированы в главе 2, п.2.1: «Постановка, задачи экспериментальных исследований».
Положения, выносимые на защиту:
Критерий усталостного предразрушения, согласно которому необходимым условием? распространения магистральной, трещины является развитие.пластической деформации в области, ограниченной макрополосами локализованного пластического течения.
Стадийность усталостного разрушения композиций стали -20X13:с Ni-Cr-B-Si-покрытиями в зависимости от соотношения прочностных характеристик покрытия и основы.
3. Практическая рекомендация в отношении формирования переходной зоны между основным металлом: и покрытием при нанесении Ni-Cr-B-Si-покрытий с целью повышения усталостной прочности композиций;
4: Взаимосвязь, изменения частоты свободных колебаний; с кинетикой роста: усталостной трещины в композициях стали 20X13 с Ni-Cr-B-Sb покрытиями:
Научная новизна. В работе впервые:
-исследована- эволюция процессов, пластической1 деформации и разрушения на мезоуровне перед фронтом усталостной,трещины вобразцах дюралюмина:Д16АТ настали 20X13 в.условиях знакопеременного изгиба; при наблюдениях боковой грани образцов с применением ОТИС «TOMSC» оценены на. мезоуровне величина пластической; зоны; и интенсивность пластических деформаций с увеличением длины усталостной трещины;
-исследована эволюция процессов пластической деформации и разрушения на мезоуровне прираэвитии усталостной лрещины в композициях стали 20X13 с. Ni-Cr-B-Si-покрытиями в условиях знакопеременного изгиба, исследована роль переходной зоны между основным металлом и покрытием в данных композициях на закономерности их усталостного разрушения;
-проведено комбинированное исследование усталостного разрушения стали 20X13 и ее композиций с Ni-Cr-B-Si-покрытиями с применением оптико-телевизионного методам и метода свободных колебаний, исследована взаимосвязь между изменением частоты свободных колебаний'и кинетикой роста усталостной трещины в композициях «основа-покрытие».
Практическая ценность работы:
Предложена методика исследования усталостного разрушения с применением ОТИС, основанная на установлении количественной взаимосвязи: параметров пластической зоны и длины усталостной трещины при усталостном* разрушении.
На основании сопоставления установленных закономерностей усталостного разрушения^ композиций стали^ 20X13 с Ni-Cr-B-Si-покрытиями рекомендованы предпочтительные условия эксплуатации данных материалов. Сформулированы практические рекомендации, в отношении формирования переходной зоны мевдуосновным металлом и покрытием при нанесении Ni-Cr-B-Si-локрытий с целью повышения усталостной прочности КОМПОЗИЦИЙ:
3. Предложена и: экспериментально апробирована методика, исследования усталостного разрушения материалов с покрытиями, основанная на комплексном применении оптико-телевизионной измерительной системы и метода свободных колебаний (МСК).
Связь работы: с Государственными программами и НИР. Работа
выполнялась в рамках следующих научных проектов.^программ; «Физическая мезомеханикахтруктурно-неоднородных сред» (основные задания НИР-ИФПМ; СО РАН на 1995-2000 гг.), «Основы физической мезомеханики поверхностных, слоевтвердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 гг.), молодежный проект СО РАН «Мезомеханика внутренних фаниц раздела высокопрочных и износостойких градиентных материалов:и покрытий» (2000-
2001 гг.), молодежный^ проект РАН №98 «Принципы: конструирования
высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе
физической: мезомеханики» (2001-2002: гг.), интеграционный проект 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.), фант РФФИ государственной поддержки ведущих научных школ
«Школа академика. В.Е.Панина: Физическая мезомеханика, и компьютерное
конструирование новых материалов» (проект №00-15-96174; 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»
(проект НШ-2324.2003.1, 2003-2005 гг.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
-International Conference: Physical Mesomechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies - Mesomechanics'98, June 1-4; 1998, Tel Aviv, Israel;
-The 3d Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS'99. June 22-25,1999 at NSTU, Novosibirsk, Russia;
-The 4^1 Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS'2000. June 27-July 1, 2000. Ulsan, Korea;
-Школа-семинар: «Современные проблемы физики w технологии». Сибирский физико-технический институт им. акад. В, Д; Кузнецова при Томском государственном университете. Томск, 2000;
-International Conference of Role of Mechanics for Development of Science and Technology, held at Xi'an, China, June 13-16, 2000;:
-Конференция; молодых: учёных/ посвященной* 100-летию MA Лаврентьева; Новосибирск, 2000;
-The VI International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates; and Young Scientists "MODERN* TECHNIQUES AND TECHNOLOGY МГГ2000", Tomsk Polytechnic University, February 28-March 3, 2000, Tomsk, Russia.
-The 5th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS'2001. June 26-JuIy 3, 2001 atTPU, Tomsk; Russia;
-4-я Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», 26-30 ноября 2001 г., гТомск;
-2 школа-семинар молодых ученых: «Современные проблемы физики и технологии». Сибирский физико-технический институт им: акад. В. ДІ Кузнецова при Томском государственном университете. 5-7 февраля 2001;
-International Conference on New Challenges in Mesomechanics, Aalborg University, Denmark, August 26-30, 2002;
-Конференция, молодых учёных, посвященной М.А. Лаврентьеву-Новосибирск, 2002;
-The 7th" Korean-Russian International Symposium on Science and Technology, KORUS'2003; June 28-July 6, 2003, University of Ulsan, Republic of. Korea.
Публикации. Результаты работы изложены в 17 публикациях. Перечень наименований публикаций представлен в библиографическом списке [168-184].
Структура и объём ^работы. Текст диссертации состоит из введения; пяти глав, заключения, списка литературы ИгПриложений. Работа изложена на* 137 страницах, содержит 68 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 184 наименования.
В. первой: главе приведен обзор литературных данных по вопросам, усталостного разрушения. Рассмотрены, закономерности усталостного разрушения металлических материалов, в том числе композиций «основа-
покрытие», на микро- и макроуровне, а также соответствующие методики экспериментального исследования усталости металлов- Изложена методология физической^ мезомеханики; как новый; научный подход к изучению механического поведения деформируемых твердых тел. Проанализированы результаты экспериментальных работ по исследованию усталостного, разрушения металлических материалов на мезоуровне.
Во второй главе сформулированы задачи» экспериментальных исследований, обоснован выбор материалов, использовавшихся при проведении работы, приведена.характеристика*данных материалов, описана методика экспериментальных исследований:
В третьей главе изложены результаты исследований закономерностей^ усталостного разрушения дюралюмина Д16АТ и стали: 20X13, Изучена^ эволюция процессов пластической деформации: и разрушения на. мезоуровне при развитии усталостной1 трещины в данных материалах. Определена: количественная взаимосвязь параметров пластической зоны, измеренных с применением ОТИС «TOMSC», с длиной усталостной трещины. Установление данной взаимосвязи предложено в качестве основы для методики: исследования усталостного разрушения с применением ОТИС.
В четвертой главе изложены результаты исследований усталостного разрушения композиций стали 20X13 с Ni-Cr-B-Si-покрытиями. Исследована кинетика> роста трещины в данных композициях, эволюция процессов пластической деформации и; разрушения> на мезоуровне. Выявлена определяющая роль границы раздела в процессах зарождения и развития усталостной трещины, оценено влияние переходной зоны между основным металлом и покрытием на: закономерности усталостного разрушения -композиций: Даны рекомендации: в отношении формирования макроструктуры Ni-Cr-B-Si-покрытий с целью повышения усталостной прочности композиций:
В пятой главе изложены результаты исследований усталостного разрушения стали 20X13 и: ее. композиций' с Ni-Cr-B-Si-покрытиями; проведенных с применением метода свободных^ колебаний. Определена количественная взаимосвязь частоты свободных колебаний* с длиной усталостной: трещины. Изучена: взаимосвязь изменения частоты свободных колебаний с кинетикой усталостного разрушения. На основании полученных результатов предложена и экспериментально апробирована методика
исследования усталостного разрушения материалов с покрытиями, основанная на комплексном применении оптико-телевизионной измерительной системы и метода свободных колебаний (МСК). Показана возможность фиксирования момента разрушения покрытия в композициях «основа-покрытие» по изменению частоты свободных колебаний в процессе на гружен ия.
Экспериментальные исследования усталостного разрушения металлических материалов на микро- и макромасштабном уровнях
Усталостное разрушение металлических материалов характеризуется; большим многообразием определяющих факторов: и является ОДНИМИ ИЗ: наиболее сложных видов разрушения. По этой причине в настоящее время существует большая совокупность методик экспериментального исследования усталостного разрушения [1 4,15,16]. Из них часть методик связана с изучением механизмов усталостных явлений1 и ориентирована на исследование закономерностей усталостного разрушения на микроуровне, а другая часть методик связана с изучением интегральных усталостных характеристик материалов и. базируется, на исследовании: закономерностей усталостного разрушения на макроуровне.
В основе экспериментального исследования усталостного разрушения металлических, материалов на микроуровне лежит изучение усталостных явлений [3,4] и их механизмов. Усталостные явления принято разделять на. процессы пластической деформации материала и процессы собственно разрушения (нарушение сплошности материала, образование поверхности трещи ны).
Первичными при усталостном- разрушении, металлических материалов являются процессы пластической деформации [17-19]. Существует несколько методик экспериментального исследования пластической деформации при усталостном разрушении на микроуровне. Одной из них является просвечивание тонких фолы с применением просвечивающей электронной микроскопии. При этом изучают нарушение .кристаллографического; порядка; в материале, формирование искажений и развитие дефектности кристаллической решетки в условиях переменного нагружения. Сущность исследований состоит/ в первую очередь, в изучении-дислокационных процессов - возникновения дислокаций, их; перемещений в кристаллической решетке, свидетельств их взаимодействия, коллективного движения. В результате экспериментальных исследований было установлено, что при тех или иных условиях переменного нагружения формируются различные типы дислокационной структуры (полосовые, ячеистые и др.), которые характеризуются определенными пространственными параметрами (периодичность полос, размер ячеек и т.д.) [4,14,20]. При исследованиях процессов пластической деформации при усталостном разрушении изучают движение дислокаций в условиях искажений кристаллической решетки за счет присутствия примесных атомов, вакансий, а также высокой плотности самих; дислокаций: Большое внимание уделяется изучению взаимодействия дислокаций с другими неоднородностями структуры материала, какими являются границы зерен и субзерен, границы фазовых составляющих, границы раздела сред, поверхности внутренних несплошностей. Данные закономерности эволюции дислокационных структур при усталостном разрушении подробно изучены на примере различных металлов в большом количестве экспериментальных работ [21-29].
Другие методики исследования пластической деформации на микроуровне подразумевают различные способы исследования наружных поверхностей испытываемых образцов с применением оптической микроскопии. С применением данных методик изучают усталостные явления, связанные с коллективными дислокационными процессами, в частности, с кристаллографическим скольжением. Так, с применением методик химического и термического травления выявляют области выхода дислокаций на поверхность металла, что дает представление о характере скоплений дислокаций и дислокационных структур в приповерхностных слоях металла [2,3]. Контраст, формирующийся за счет микронеровностей на поверхности металла, позволяет обнаруживать системы линий и полос скольжения, экструзии и интрузии, оценивать деформации отдельных зерен, исследовать деформационный рельеф на поверхности образца [2-4,20].
Вторичными при усталостном разрушении металлических материалов являются процессы разрушения, т.е. нарушение сплошности материала и образование поверхности трещины [30]. Существует несколько методик экспериментального исследования процессов разрушения на микроуровне. При изучении процессов зарождения усталостной трещины применяют преимущественно средства оптической микроскопии и исследуют наружные поверхности испытываемых образцов. При этом оценивают характер возникновения поверхностных трещин на фоне наблюдаемых явлений пластической деформации - линий и полос скольжения, интрузий и экструзий, деформационного рельефа поверхности. Закономерности зарождения усталостных трещин в различных металлах, их взаимосвязь со структурными особенностями материала, и процессами пластической деформации исследованы, например, в работах [2-4,31,32]. Для изучения процессов: разрушения при распространении усталостной трещины применяют средства, как оптической микроскопии, так и электронной микроскопии (просвечивающей и растровой). С применением данных методик исследуют взаимодействие распространяющейся трещины с различными элементами внутренней структуры - границами зерен, фаз, включений, внутренними поверхностями раздела, внутренними несплошностями: Изучают характер нарушения сплошности материала в пределах пластической зоны в вершине усталостной трещины, оценивают изменение формы вершины трещины за счет пластической деформации, исследуют процессы слияния и ветвления трещин и т.д. Данные закономерности распространения усталостной трещины в металлических материалах детально изучены в работах 12-4,14,20].
Особую группу экспериментальных методик составляют методики исследования поверхности- разрушения, т.е. усталостного излома. Из. них основными являются сканирование поверхности излома с применением растровой электронной микроскопии; а также просвечивание реплик поверхности разрушения с применением просвечивающей электронной микроскопии[33]. Усталостный излом; как правило, несет большое количество разнообразных элементов разрушения, изучение которых является предметом фрактрографического; анализа [14]. При исследовании: усталостного излома определяют тип, форму, величину фрактографических, элементов, их распределение на; поверхности разрушения. Это позволяет получить представление о траектории усталостной трещины, кинетике ее роста, взаимодействии с элементами внутренней структуры материала. Фрактография является основным методом исследования механизмов, усталостного разрушения, о которых можно судить по характеру и степени развития рельефа поверхности разрушения: Так, например, на примере различных металлических материалов экспериментально установлено, что каждая из стадий роста усталостной трещины характеризуется определенным механизмом разрушения, который определяется тем или иным типом фрактографических элементов, а величина иг степень развития данных элементов дают представление о кинетике роста трещины и вязкости усталостного разрушения металла
Материалы для экспериментальных исследований
В качества материалов для экспериментальных исследований были выбраны следующие:
1) дюрапюыни Д18АТ; 2) сталь 20X13; 3) композиции стали 20X13 с КьСт-В-Зьпокрытййми Дшралшмни Д16АТ Дюралкжин Д1ЄАТ относится к упрочняемым термической обработкой алюминиевым сплавам. Обладает хорошим соотношением прочности и ірещиноогойтоот Применяется в авиационной, космической, судостроительной и других отраслйх промышленности для изготовления широкой номеннлатуры деталей и конструкций [160-163], в т.ч. элементов внешней обшивки. Элементы из Д16АТ в большинстее случаев подвержены воздействию высоких переменных нагрузок, и основной прычтой их разрушения является развитие усталостных трещин. Химический состав Д18АТ приведен в табл. 2.1. В результате термической обработки, состоящей из закалки с4Э0-525сС т естественного или искусственного стар&ний, сплав T nJU ХіШ. твршпшышт Д18АТ, % тП структуру твердого раствора на ; основе алюминия с — дисперсными упрочняющими фазами 0 (CuAb), S (AbCuMg) в виде зон Гивье-Престоиа сложного состава [151,152]. Мифоструетура сплава показана на дюралкшин Д16АТ имеет " . я- следушщие механические свойства; " Ог= 283 МПа, as= 401 МПа, А = 13 %. В 4 z Соответствующая кривая & е, J " 1 л 9 j полученная при растяжении образцов дшралкшина приведена далее. Рію.2.і.«иііроструктурвдюімтюмии«діВАТ
Стадь 20X13. Сталь 20X13 относится к группе коррозионностойких жаропрочных хромистых сталей мартенситиого класса. Обладает стойкостью против общей коррозии е атмосферных условиях и спабоагрессивных средах прш комнатной и37 повышенные (до 500) температурах, хорошими характеристиками прочности и ірещиностойкости [154]. Пришзняетет в энергомашиностроении и других отраслях промышленности ДЛИ изготовления широкой номенклатуры деталей машин и элементов конструкций [1551, в т-ц ларотурбиинык лопаток энергетических установок. Лопатки паровых турбин, шгат&шяиваепше из стали 20X13, испытывают при эксплуатации воздействие переменных изгйбмых напряжений и разрушаются вследствие развитая в них трещин усталости [60,61]. При этом износ и эрозия, в частности, кавитационный тнос щюток лопатам в результате ішплаударного воздействия при конденсации водяного пара, выступают факторами, способствующими зарождению усталостных трещин [156,157]. 1000-1050 сталь 20X13 приобретает артвиситную структуру, которая при высоком
Кривые: а-є стали 20X13 и дюралюмина Д16АТ, полученные при одноосном квазистатическом растяжении, приведены на рис. 2.4. 20X13
Кривые растяжения стали 20X13 и дюралюмина Д16АТ Композиции стали 20X13 с Ni-Cr-B-Si-покрытиями. Композиции стали 20X13 с Ni-Cr-B-Si-покрытиями получали с применением технологии электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) в техническом вакууме (Р 5-10"1Па) [158]. Данная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами нанесения жаропрочных износостойких покрытий. ЭЛН позволяет варьировать состав наплавляемых материалов в широких пределах, вводить необходимые функциональные добавки, обеспечивает высокую адгезионную прочность наплавляемых покрытий и низкую пористость, характеризуется минимальным короблением и поводками деталей за счет малого размера жидкометаллической ванны, высокой стабильностью и гибкостью управления процесса, наплавки, а также возможностью формирования многослойных градиентных покрытий [159].
Для наплавки NbCr-B-Si-покрытий использовали порошковые составы марок ПГ-12Н-01 и ПГ-10Н-01 производства г объединения «Тулачермет» [159], Данные марки порошков относятся к самофлюсующимся составам на основе никеля и используются для получения сплавов системы Ni-Cr-B-Si, которые широко используются в промышленности в качестве износостойких, коррозионностойких и жаропрочных материалов; Защитные свойства сплавов сохраняются до температуры 650С. Сплавы системы Ni-Cr-B-Si:эффективно применяются для получения: керметов с высокими функциональными свойствами путем введения в структуру сплава карбидов, боридов различных элементов и др. высокопрочных тугоплавких неметаллических соединений [160], Химический? состав порошков ПГ-12Н-01 и ПҐ-10Н-01 приведен в табл: 2.3.
После наплавки Ni-Cr-B-Si-покрытий; с применением растрового электронного микроскопа; оснащенного микроанализатором; Camebax Microbeam был проведен микрорентгеноспекгральный. анализ химического состава покрытий: Измерения весового содержания Fe, Ni, Сги Si проводили в; режиме: U=20 кВ, /=20 нА. Диаметр зонда- 3 мкм. Область генерации;- 7+10 мкм; Точность измерения химического состава: — 0,5+1,0%. Согласно проведенным измерениям:в покрытии, наплавленном на основе порошкового состава ПГ-12Н-01, содержится -6+7% С г, 0,1 0,3% Si, до.-83+85% Nbn до 1,5% Fe. В покрытии на основе ПГ-ЮН-01 содержится -9+10% Сг, -2,5+3,5% Si, до -81+83% Ni:n -3+4% Fe. Сравнивая результаты измерений химическим составом исходных порошков для наплавки; (см.выше), можно, видеть, что весовое содержание Сг и Si после наплавки несколько уменьшилось (в среднем1 в 1,5-2 раза). Тем не менее, в химическом составе покрытия на основе ПҐ-10Н-01 сохранилось большее содержание указанных элементов по сравнению с покрытием на основе ПГ-12Н-01:
При измерениях, проведенных в переходной зоне между, основным металлом, и. покрытием, был установлен- характер: изменения химического состава в композициях в области границы раздела «основа-покрытие». Распределение Fe, Ni, Сг и Si в направлении, перпендикулярном границе раздела в композициях сталь 20Х13+ПГ-12Н-01 и сталь 20Х13+ПГ-10Н-01, показано на рис.2.5,2.6. Можно видеть, что в композиции сталь 20Х13+ПҐ-12Н-01 изменение химического состава, в области границы, раздела «основа-покрытие» {рис.2.5) происходит достаточно полого: содержание Fe убывает от -82+84% до -4%, содержание Сг убывает от -13+15% до -5+6%, а содержание Ni возрастает от -0,5+1,0% до -82+85% в достаточно широком интервале от 0
ДО -150 МКМ
Результаты экспериментальных исследований
Кинетика развития усталостной: трещины. Согласно методике, описанной в гл.2, быпипроведены измерения длины L и ширины раскрытия S усталостной трещины, а также скорости роста AL/AN и скорости? раскрытия AS/AN в образцах дюралюмина Д16АТ. Зависимости соответствующих величин от продолжительности нагружения N/N?, приведенььна рис.3.1. По характеру изменениям величин AL/AN и AS/AN, можно видеть, что кинетика; развития усталостной трещины имеет несколько стадий; характеризующихся различными участками на кривых AL/AN = F(N/NP) и AS/AN = F (N /Np) и обозначенными как стадии 1; 2 и 3 соответственно.
На стадии 1 до момента возникновения трещины все параметры имеют нулевые значения. В момент возникновения усталостной трещины при N=0,5 Np значения этихвеличин имеют некоторый-скачок. Изменение длины ичиирины раскрытия трещины заv соответствующий период приращения циклической нафузки составляет 20 ис 2 мш соответственно. Скорость роста и скорость раскрытия трещины в этот момент составляют не менее 20х10"3 и 2х10"3 мкм/ц соответственно. (Примечание: ввиду, измерения параметров трещины с интервалом:103 ц, фактическое значение скорости роста и скорости раскрытия трещины может быть существенновыше). На стадии 2 изменение параметров усталостной трещины происходит сравнительно равномерно, без фиксируемых скачков. В интервале количества? циклов нагружения 0,5-;-0,87 ЛГР длина усталостной трещины увеличивается от 20 до 280 мкм, а ширина раскрытияот 2 до 12 мкм. При этом! нижний предел измеренных скорости роста и скорости раскрытия трещины составляет 1х10 3-г 36x1 о:3 и 0 2x103 мкм/ц соответственно.
На стадии 3 происходит быстрое изменение параметров, усталостной трещины,.что завершается доломом образца; В интервале количества циклов нагружения 0,37 +1,0 Np длина усталостной трещины увеличивается от 2S0 до 800г мкм, а. ширина раскрытия от 12 до 40 мкм. При этом скорость роста и скорость раскрытия составляют не менее 28х10 3 162x10"3 и;1 f 6x10"3 мкм/ц
Эволюция рельефа боковой грани и поверхности излома. Согласно методике, описанной в главе 2, проведены,исследования эволюции;рельефа боковой? гранит образцов дюралюмина Д16АТ в процессе усталостного испытаниями;поверхности излома.образцов после их разрушения. Результаты исследований соотнесеньь со стадиями усталостного разрушения 1-3, описанными выше, т.е. сопоставлены соответствующим;участкам на кривых; характеризующих кинетику усталостного разрушения:
На стадии 1 на боковой грани образца со. стороны верхней и нижней: фаней возникают трещины длиной 15-S-25 мкм.. Для них характерны острая форма и отсутствие фиксируемого деформационного рельефа в области вершины (рис.3.2,а). На поверхности разрушения, на. глубине до 30 мкм бороздок характерна округлая сглаженная форма. Минимальный.шаг бороздок в данной области излома составляет 0,05 мкм.
На стадии 3 происходит соединение.трещин, распространяющихся от противоположных граней образца. При это признаки пластической деформации при соединении усталостных трещин выражены в максимальной степени. В области вершины трещины формируется развитый деформационный рельеф (рис.3.2,в), вершина, трещины приобретает сильно затупленную форму. Поверхность разрушения на.глубине 300-400 мкм характеризуется развитым ямочным рельефом. Максимальный диаметр ямок составляет 2-ьЗ мкм и более. Эволюция локальных пластических деформаций; Согласно методике, описанной в главе 2, с применением ОТИС «TOMSC» проведены исследования эволюции локальных пластических деформаций; при развитии усталостной трещины в образцах дюралюмина Д16АТ. Результаты исследований соотнесены со стадиями 1-3, описанными выше.
На стадии 1с применением: ОТИС смещений участков поверхности материала в области вершины трещины, зафиксировано не было.
Регистрируемые с применением данной методики смещения были измерены, начиная со 2-й стадии. На рисЗДа-д приведены оптические изображения области вершины усталостной трещиньь при? 0,7Л/Р, 0,8WP, 0,88Л/Р, 0,93Л/Р и 0,96Л/Р. Поля векторов смещений, построенные в результате обработки данной серии оптических изображений, приведены на рис.3.4,а-д. На рисунках показан характер смещений участков поверхности материала, произошедших в области вершины усталостной трещины за период zW=103 ц, а также, распределение главного пластического сдвига у, вычисленные значения которого представлены в градациях серого цвета. На построенных распределениях можно видеть, что по мере циклического нагружения смещения в области вершины трещины происходят по направлению от ее вершины вглубь материала образца. При этом они локализуются в виде полос локализованной пластической деформации, ориентация которых по отношению к направлению роста трещины изменяется с увеличением длины трещины. В частности, угол между полосами локализованной деформации и направлением:mw распространения трещины составляет от -60 на момент 0,8Л/Р и уменьшаетсяmдо -30 на момент 0,96WP. Выявляемые при построении распределения / полосы локализованной пластической деформации имеют криволинейную
Результаты исследований
Кинетика развития: усталостной трещины. Согласно методике, ш описанной в гл,2, были проведены измерения длины L и ширины раскрытия S усталостной трещины, а. также скорости роста AL/AN И скорости раскрытия AS/AN трещины в образцах композиции 20Х13+ПГ-12Н-01. Зависимости соответствующих величин от продолжительности нагружения N/Np, приведены ш на рис.4И, По характеру изменения величин ЛІ/4Л/ и AS/AN можно видеть, что кинетика, развития усталостной трещины, имеет несколько стадий; характеризующихся различными участками, на кривых AUAN F(N/NP) и-AS/AN=F(N/NP) и обозначенными как стадии 1-5 соответственно. Как обозначено на;рис,4:1, стадии 1-3 связаны с развитием усталостной трещины вматериале покрытия, а стадии 4 и 5-е развитием трещины в материале основы.
На.стадии 1 до момента возникновения трещины все параметры имеют нулевые значения- В момент возникновения усталостной трещины при N QA Np происходит некоторый скачок значений длины и ширины раскрытия трещины на величину 80 и2 мкм соответственно. Скорость, роста: и скорость раскрытия трещины в этот момент составляют не менее 80х10"3 и 2х10"3 мкм/ц соответственно.
На- стадии; 2 распространение, усталостной трещины происходит с постепенным возрастанием скорости роста и раскрытия: В интервале 0,55ч-0,6ВЛ/р длина усталостной трещины изменяется от 80 до 1000 мкм, а ширина раскрытия от 2 до 20 мкм; Вычисленные значения скорости роста и скорости раскрытия находятся в пределах 16х10 3-И37хЮ 3 И:0 7Х103 МКМ/Ц соответственно.
На стадии 3 имеет место остановка усталостной трещины при длине равной? толщине покрытия, В интервале 0,66- -0,74/ длина усталостной трещины остается постоянной и равнаИООО мкм. Скорость.роста,усталостной? трещины в данном интервале соответственно имеет нулевые значения. Вместе с тем, на данной стадии раскрытие усталостной трещины происходит, и ширина раскрытия трещины.увеличивается от 20 до 30 мкм. Скорость раскрытия при этом составляет НЗхЮ"3 мкм/ц. На стадии 4 в интервале количества циклов нагружения 0,74:0,94 происходит постепенное увеличение длины усталостной трещины от 1000 до 1400 мм и увеличение ширины ее раскрытия от 30 до 62 мм Скорость росте трещины пріз этом составляет 1G:-80x1(T3 шм/ц, а скорость раскрытия U8x10"3 мж$ц.
На стадии 5 происходит быстрое развитие усталостной трещины, что завершается доломом образца. 8 интершале Q 94 1,QWP длина усталостной трещины изменяется от 1400 до 2500 мши, а ширина раскрытии от 62 до 145 тт. При этом измеренные жтчент скорости роста ш скорости раскрытия достигают 180х10 3-420х10"3и5-35х10"3мш/ц соответственно.
Эволюция рельефа боковой грами і поверхности излома. Согласно методике, описанной а т&ш 2t проведены исследования эволюции рельефа боковой грани образцов композиции 20Х13-Н1П 12Н-01 в процесса усталостного испытания т поверхности излома образцов после их разрушения. Результаты исследований соотнесены со стадиями усталостного разрушения 1-5, описанными выше, т.е. сопосга&яены «ютветствующим участкам на кривых, характеризующих кинетику усшлоетнога разрушения.
На стадии 1 на боковой грани образца со отороны верхней и нижней граней в подповерхностном опое покрытия на глубине 30- -50 мкм возникают трещины длиной до 50-Т-70 мкм (рисА2) которые имеют разветвленную форму и сложную конфигурацию. Однако распространения данных трещин в объем покрытия да зафиксировано.разрушения, на глубине до 30 -70 жьл присутствуют отдельные участки & виде площадок размером 30 50 шкт, В данным о&яаотях налога рельеф поверхности разрушения образован плоскими площадками с ручьистым рельефов
На стадии 2 развитие усталостной трещины в покрытии сопровождается более интенсивней пластической деформацией. Начиная с длины 10О-И2О мш, е области вершины трещины вознига&от следы сжольжеиия: ориентированные под углом 50#7GC к направлению распрос гранений трещины (риоА4), Характерно, что рост трещины происходит вдоль линий скольжения с последовательные переключением от одной систем ы скольжения к сопряженной, и в результате траектория трещины приобретает зигзагообразную фор у. На поверхности разрушения, на глубине более 100 мкм набяюдак тсй участки с бороздчатым рельефом Бороздки имеют плоские грани и характеризуются треугольные профилем. Шаг бороздок составляет 0,2+0,4 мкм
