В настоящее время ионно-плазменные покрытия широко используются не только для повышения износостойкости и коррозионной стойкости металлорежущего и деформирующего инструмента [1], но и для повышения усталостной прочности в машиностроении и других областях техники
В работе изучали влияние температуры напыления ионно-плазменного покрытия (TiN) на усталостную прочность образцов из стали 20. Принимая во внимание ранее описанный «Эффект залечивания дефектов», наблюдаемый на поверхности образцов при температуре фазового перехода [2], ионно-плазменное покрытие наносили как при температуре фазового превращения, так и при температурах отличных от температуры фазового превращения.
На призматические образцы из стали 20 размерами 2х5х150 мм для усталостных испытаний наносили ионно-плазменное покрытие нитрида титана (TiN) при температуре 727 0С – температура эвтектоидного превращения в стали, а также при температурах отличных на 10 0 от температуры фазового превращения (717 и 737 0С). Исследования покрытий проводили в растровом электронном микроскопе JSM-Т20. Для оценки прочности связи покрытий с поверхностью сталей проводили вдавливание алмазного индентора микротвердомера ПМТ-3. Усталостные испытания образцов, как с покрытием, так и без покрытия проводили на специально разработанной установке. Испытание приводили при комнатной температуре с частотой нагружения 23 Гц при симметричном цикле нагружения и жесткой схеме испытания [3]. В процессе испытания определяли общее количество циклов нагружения до разрушения образцов. Кроме того, с помощью измерителя акустического сигнала (ИАС-3) фиксировали количество циклов нагружения до появления макротрещины в образцах. При каждой температуре испытывали не менее 3 образцов. Макрофрактографическое строение усталостных изломов изучали визуально или при небольшом увеличении. Длину зоны усталостного развития трещины lf на поверхности изломов [4] в направлении распространения трещины измеряли штангенциркулем с абсолютной погрешностью 10-4 м. Микрофрактографические исследования усталостных изломов проводили в растровом электронном микроскопе JSM-Т20 при различном увеличении.
Электронномикроскопические исследования показали, что нанесение на поверхность стальных образцов ионно-плазменного покрытия (TiN), как при температуре фазового превращения, так и при температурах отличных от температуры фазового превращения практически не изменило микрорельеф и величину шероховатости поверхности из-за небольшой толщины покрытия (3-5 мкм). Анализ полученных отпечатков алмазного индентора микротвердомера показал, что независимо от температуры нанесения покрытий, последние отличаются высокой пластичностью и высокой адгезионной прочностью, т.к. после воздействия индентора микротвердомера на покрытиях не обнаружено микротрещин.
Рассмотрим влияние температуры нанесения покрытия на кинетику развития усталостной трещины и фрактографические особенности строения изломов образцов из стали 20 (табл. 1).
Таблица 1. Общее количество циклов нагружения до разрушения образцов (N), длина зоны усталостного развития трещины на поверхности излома (lf) и количество циклов нагружения до зарождения трещины (Nз)
| Температура нанесения покрытия | Без покрытия | 727 0С | 717 0С | 737 0С |
| N, цикл | 5,83.103 | 7,63.103 | 5,55.103 | 4,27.103 |
| Nз, цикл | 1,01.103 | 1,75.103 | - | - |
| lf, 10-3 м | 0,80 | 0,75 | 0,75 | 0,75 |
Из приведенной таблицы видно, что максимальная долговечность образцов имеет место в случае нанесения покрытия при температуре фазового перехода, т.е. при температуре 727 0С. В случае нанесения покрытия при температурах отличных от температуры фазового перехода, общая долговечность образцов становится даже ниже, чем в образцах без покрытия (см. табл. 1). Сравнивая количество циклов нагружения до появления макротрещины, видим, что, по сравнению с образцами без напыления покрытия, в случае нанесения покрытия при температуре фазового перехода количество циклов до зарождения трещины, примерно в 1,7 раза выше. Следовательно, основной вклад в общую долговечность образцов приходится на стадию зарождения трещины.
Рассмотрим микрофрактографические особенности разрушения образцов из стали 20 как без ионно-плазменного покрытия, так и с покрытием, нанесенными при разных температурах. Исследования показали, что в случае отсутствия покрытия, в очаге усталостное разрушение образуется характерная зона сдвига θ под углом 450 к поверхности излома, отличающейся сравнительно плоским микрорельефом. Затем усталостная трещина развивается перпендикулярно оси образца. На этой стадии можно наблюдать ямочный микрорельеф.
В том случае, когда усталостному разрушению подвергались образцы с покрытиями, зарождение трещины не сопровождалось образованием зоны сдвига θ. Характерный ямочный микрорельеф наблюдается прямо от покрытия. В случае разрушения образцов с покрытием, нанесенном при температуре отличной от температуры фазового перехода, вблизи покрытия можно наблюдать пористую область, что указывает на непрочную связь покрытия с подложкой. В случае нанесения покрытия при температуре 727 0С таких дефектов практически не наблюдается. Это свидетельствует о лучшей адгезионной прочности покрытия, нанесенного при температуре фазового перехода.
Заключение
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что наиболее благоприятное влияние на время зарождения усталостной трещины оказывает покрытие, нанесенное при температуре фазового превращения (727 0С). Покрытие, нанесенное при температурах отличных от температуры фазового перехода, даже несколько снижает количество циклов до зарождения трещины по сравнению с образцом без покрытия. Эти результаты хорошо согласуются с данными по определению количества циклов нагружения до появления усталостной трещины с использованием акустической эмиссии и данными макро- и микрофрактографического анализа.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 06-08-96904р_офи)
Список литературы:
- Григорьев С.Н., Ильичев Л.Л., Рудаков В.И. Ионно-плазменное упрочнение инструментальных сталей. Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.- 415 с.
- Никитин В.В., Клевцова Н.А., Клевцов Г.В. Кинетика залечивания поверхностного дефекта в аустенитной стали в условиях фазового перехода. Тезисы докладов VI Всероссийской конференции «Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов» к 100-летию со дня рождения К.А. Малышева. Екатеринбург, 2001.- С. 34.
- Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла.- М.: Металлургия, 1973.- 215 с.
- Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций.- М.: МИСиС, 2007.- 264 с.
Работа представлена на научную международную конференцию «Перспективы развития вузовской науки», "Дагомыс" (Сочи), 20-23 сентября 2007 г. Поступила в редакцию 07.09.2007г.