Fractographic analysis of the destruction composite coatings after bending tests.pdf Введение Современное производство предъявляет высокие требования к качеству и свойствам композиционных материалов для изготовления надежных конструкций и механизмов. Нанесение композиционных покрытий способствует повышению твердости, прочности, износо- и коррозионной стойкости, жаростойкости поверхностных слоев металлических изделий. Несмотря на широкое использование композиционных покрытий, проблемы их прочности и долговечности на сегодняшний день до конца не решены. Опасным фактором для любых материалов является разрушение под воздействием эксплуатационных нагрузок. Для определения поведения материалов в тех или иных условиях эксплуатации элементы конструкции или детали подвергают механическим испытаниям [1]. При этом стремятся создать условия, близкие к условиям эксплуатации. Наиболее распространенным и простым методом механического испытания является статическое испытание на изгиб. Данный метод позволяет определить предел прочности до разрушения, пластичность, способность материала выдерживать заданную деформацию, адгезию. Основным моментов испытаний на изгиб является изучение изломов композитных покрытий, необходимых для диагностики характера повреждаемости и разрушения деталей и элементов конструкций в зависимости от различных факторов (величины и характера приложенной нагрузки, свойств материала, температуры, агрессивности среды и др.) [2, 3]. Таким образом, в работе рассматриваются упрочняющие композиционные покрытия, полученные методом электронно-лучевой наплавки вне вакуума. Данная технология основана на использовании промышленного ускорителя релятивистских электронов [4, 5]. Метод позволяет получать качественные наплавленные покрытия, обладающие повышенной твердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью и полным отсутствием трещин, раковин и микропор [6]. На сегодняшний день большое количество работ посвящено исследованию характера разрушения и определению упругих и прочностных характеристик покрытий, полученных методами плазменной, газотермической и лазерной наплавки [7-9]. Однако имеется очень мало экспериментальных данных по влиянию эксплуатационных нагрузок на прочность и характер разрушения покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки [10, 11]. Поскольку получение композиционных покрытий с оптимальной структурой и свойствами для работы в условиях нагружения и влияния различных внешних факторов является важной задачей для повышения надежности и долговечности конструкций и деталей машин, то формирование представлений о механизмах разрушения является актуальной задачей. Исходя из вышесказанного, целью работы явилось выявление закономерностей разрушения композиционных покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковой смеси (Cr3C2+TiC) на Ст.3, после испытаний на трехточечный изгиб с использованием фрактографических методов исследования. Методика эксперимента В качестве материала подложки была использована низкоуглеродистая сталь - Ст.3 (ГОСТ 380-2005). Для получения покрытий использовали порошковую смесь Cr3C2+TiС+MgF2, массовая доля которых составляла 54 % Cr3C2, 6 % TiС и 40 % MgF2. При этом MgF2 выступал в роли флюса для защиты от окислительного воздействия окружающей среды. Размер частиц наплавочного порошка составлял 2-5 мкм. В данной работе покрытия были получены методом электронно-лучевой наплавки вне вакуума с использованием ускорителя электронов ЭЛВ-6, расположенного в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН [4, 5]. При реализации наплавки были использованы следующие постоянные параметры обработки: энергия электронов 1.4 МэВ, ток пучка 25 мA, диаметр пучка 1.2 см, расстояние от выпускного отверстия до поверхности 9 см, ширина сканирования развертки 5 см. Скорость поступательного перемещения образцов под электронным пучком была разная, вследствие чего получено пять покрытий, соответствующих различным скоростям перемещения (v) (таблица). Согласно родственному процессу электродуговой наплавки [12], с учетом вышеуказанных параметров обработки удельная введенная энергия W определяется по формуле , (1) где l - ширины сканирования пучка. Режимы обработки приведены в таблице. Режимы обработки и свойства композиционных покрытий № п/п v, см/с W, кДж/см2 L, мм Р, H f, мм σизг, МПа Нср, ГПа Vэв, % 1 0.95 7.4 1.7 1807 1.359 758.94 4.652 14 2 0.8 8.8 1.3 1612.2 0.585 677.124 6.23 48 3 0.7 10 1.5 1735.1 1.173 728.742 5.525 17 4 0.6 11.7 3.7 2021.7 1.13 848.82 5.490 16 5 0.55 12.7 4 2088.4 1.019 877.128 4.805 9 Подробные исследования структуры и элементный анализ наплавленных слоев, результаты измерений микротвердости и определение объемной доли эвтектики (Vэв, %) представлены в работе [13]. Прочностные испытания на трехточечный изгиб проводили при комнатной температуре на установке Инстрон-1185 с автоматической записью диаграмм «нагрузка  прогиб» согласно ГОСТ 14019-03. Скорость испытания составляла 0.5 мм/мин. Расстояние между опорами - 35 мм. Размер образцов был одинаковый и составлял 5×5×50 мм, но толщина слоя наплавки L изменялась от 1.3 до 4 мм (см. таблицу). Испытания на изгиб проводили до появления первой трещины в растянутой зоне образца с композиционным покрытием. Предел прочности на изгиб (со стороны наплавки) σ рассчитывали по формуле , (2) где P - нагрузка, Н; L - расстояние между опорами, мм; b - ширина образца, мм; h - толщина образца, мм. Методом оптической микроскопии (Neophot-32) на боковой полированной поверхности образцов после испытаний на изгиб исследовали картину образования трещин. Методом растровой электронной микроскопии (LEO EVO 50) проводили фрактографические исследования изломов. Результаты и их обсуждение На рис. 1 приведены кривые диаграммы нагружения для композиций «наплавленное покрытие - основа». Согласно формуле (2), определены пределы прочности по максимально приложенной нагрузке и предельные значения стрелы прогиба для каждого композита с покрытием по диаграмме (см. таблицу). Из диаграммы нагружения видно, что все образцы с покрытиями равномерно деформируются до зарождения первой трещины, обладая при этом некоторым запасом пластичности. Рис. 1. Диаграммы зависимости приложенной нагрузки Р от прогиба, полученные при испытании на трехточечный изгиб композитов с различной толщиной композиционного покрытия При визуальном осмотре боковой поверхности образцов с покрытиями после испытаний на изгиб установлено, что только в композите 2 покрытие ломается полностью. Трещина развивается под действием сравнительно низких напряжений, проходя сквозь все покрытие. Переходя в материал подложки, магистральная трещина разветвляется на несколько мелких, так как Ст.3 более пластична, она способствует торможению и прекращению развития трещин. Момент перехода трещины в Ст.3 на кривой деформации 2 хорошо просматривается на рис. 1. В композитах 1, 3, 4 и 5 наблюдаются только зарождения трещин в покрытиях. Покрытия деформируются при повышенных нагрузках (рис. 1), обладая при этом некоторым запасом пластичности. На боковой поверхности композита с покрытием 4 после изгиба образуется одна извилистая трещина, не переходящая в материал подложки. С обеих сторон трещины наблюдаются распространения мезо- и макрополос локализованной деформации. Стоит отметить, что при визуальном осмотре ни у одного из композитов не наблюдается отслоение наплавленного покрытия от подложки, что свидетельствует о высокой адгезии между подложкой и наплавленным композиционным покрытием. На рис. 2, а-в приведены металлографические изображения структуры покрытий. В результате электронно-лучевой наплавки порошковой смеси Cr3C2+TiC на Ст.3 формируется литая дендритная структура, представляющая собой фазы твердого раствора хрома в -железе и эвтектику (смесь фаз твердого раствора хрома в -железе, цементита и различных карбидов хрома). Из-за неравновесных условий кристаллизации в структуре образуются дендриты разного порядка. По микрофотографиям хорошо прослеживается рост размера зерна. При увеличении W растет толщина наплавленного слоя, а следовательно, уменьшается концентрация легирующих элементов на единицу объема (см. таблицу) [13]. Структурные исследования показали, что микротвердость зависит от объемной доли эвтектики (таблица). С ростом объемной доли эвтектики увеличивается микротвердость композита. Визуальный осмотр изломов образцов с покрытиями показал, что в переходной зоне «покрытие - основа» по всей границе раздела у всех образцов наблюдается область с ярко выраженным металлическим блеском, что является признаками хрупкого разрушения. В проведенной ранее работе [13] установлено, что именно в этой области образуется мартенситная структура за счет быстрого охлаждения в результате отвода тепла в материал подложки при электронно-лучевом воздействии. Наличие мартенситной структуры в наплавленном слое приводит к максимальным значениям микротвердости в зоне раздела «покрытие - основа». Как известно, высокая твердость является причиной хрупкого разрушения. Для понимания механизма разрушения композитов с покрытиями были проведены исследования поверхности изломов. Для этого образцы с покрытиями после испытаний на изгиб доламывались вручную. Исследовали две зоны изломов: 1) зону образования трещины; 2) зону долома. На рис. 2, г-е приведены РЭИ-изображения поверхностей изломов покрытий. Фрактографические исследования поверхностей разрушения показывают преимущественно хрупкое строение излома с характерными столбчатыми кристаллами с четко выраженным рельефом элементов дендритного строения в зоне наплавленного слоя. Рис. 2. Металлографические изображения ( 500) поперечных сечений покрытия 2 (а), покрытия 3 (б) и покрытия 5 (в), полученные методом вневакуумной наплавки, и РЭИ-изображение поверхности излома покрытия 2 (г), покрытия 3 (д) и покрытия 5 (е) после испытаний на изгиб до появления первой трещины Схематично механизм разрушения композитов с покрытиями 1, 3, 4 и 5 (трещина выделена черной кривой), где происходит зарождение одной небольшой трещины, можно представить следующим образом (рис. 2, б, в). Под действием нагрузки начинается зарождение трещины между зернами дендритов. При увеличении нагрузки происходит рост одной извилистой трещины, огибающей зерна дендритов. Встречающиеся на пути трещины крупные зерна дендритной структуры способствуют торможению и прекращению ее развития. В результате происходит межзеренное хрупкое разрушение, трещина распространяется по поверхности граней зерен. На изломе отдельные зерна выглядят в виде межзеренных фасеток (многогранников). Наличие образования вторичных трещин по границам зерен (на рис. 2, д, е указаны стрелками) также говорит о хрупком разрушении. В зоне долома (рис. 2, д, е области, обведенные кругом) встречаются участки квазихрупкого разрушения с признаками пластической деформации. Отличительной особенностью обладает композит с покрытием 2. Это единственный композит, где происходит полное разрушение покрытия. Механизм разрушения композита с покрытием 2 происходит следующим образом. Под действием сравнительно небольшой нагрузки происходит зарождение трещины. Трещина мгновенно проходит сквозь всю толщину покрытия, огибая зерна дендритов. Из-за более мелкой структуры и большего количества эвтектики трещина не встречает на своем пути препятствий, тем самым разрушает покрытие полностью. В результате происходит хрупкое разрушение с характерным дендритным изломом, также имеется множество вторичных трещин (на рис. 2, г участки с трещинами указаны стрелками), которые являются признаками хрупкого разрушения. Заключение Таким образом, фрактографическое исследование изломов образцов с композиционными покрытиями на низкоуглеродистой стали при испытаниях на изгиб показало, что в покрытиях происходит хрупкое разрушение с характерным дендритным изломом. На степень разрушения влияет размер зерна дендритов и объемная доля эвтектики. По результатам исследований можно сделать выводы, что образцы 1, 3, 4 и 5 обладают повышенной пластичностью и прочностью до образования первой трещины. Композит с покрытием 5 является самым прочным σизг = 877.128 МПа, а композит с покрытием 2 - самым хрупким и разрушается полностью при σизг = 677.124 МПа. Максимальная пластичность наблюдается у образца с покрытием 1 со значением f = 1.256 мм. Авторы выражают благодарность за оказанную помощь Михаилу Гедалиевичу Голковскому (Институт ядерной физики им. Г.И. Будкеpа СО РАН) в проведении электронно-лучевой наплавки и Константину Вениаминовичу Иванову (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН) за РЭМ-изображения для фрактографического анализа. Структурные исследования методом растровой электронной микроскопии проведены на оборудовании центра коллективного пользования «Нанотех» в ИФПМ СО РАН.

Скачать электронную версию публикации