Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений

Предложено размеры дискретного участка покрытия выбирать на основе расчета величины критического шага трещины при когезионном растрескивании. Такой подход позволяет учесть остаточные напряжения в покрытии. Достоверность метода расчета подтверждена экспериментально прямым измерением шага трещин. З...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы прочности
Дата:	2002
Автори:	Ляшенко, Б.А., Сорока, Е.Б., Рутковский, А.В., Липинская, Н.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46878
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений / Б.А. Ляшенко, Е.Б. Сорока, А.В. Рутковский, Н.В. Липинская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 119-125. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46878
record_format	dspace
spelling	Ляшенко, Б.А. Сорока, Е.Б. Рутковский, А.В. Липинская, Н.В. 2013-07-07T17:20:49Z 2013-07-07T17:20:49Z 2002 Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений / Б.А. Ляшенко, Е.Б. Сорока, А.В. Рутковский, Н.В. Липинская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 119-125. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46878 539.4 Предложено размеры дискретного участка покрытия выбирать на основе расчета величины критического шага трещины при когезионном растрескивании. Такой подход позволяет учесть остаточные напряжения в покрытии. Достоверность метода расчета подтверждена экспериментально прямым измерением шага трещин. Запропоновано розміри дискретної ділянки покриття вибирати на основі розрахунку величини критичного кроку тріщини в умовах когезійного розтріскування. Такий підхід дозволяє врахувати залишкові напруження в покритті. Достовірність методу розрахунку підтверджена експериментально прямим вимірюванням кроку тріщини. We propose that selection of the coating discrete zone dimensions should be based on the calculation of the critical crack increment in cohesive cracking. Such an approach allows the account of residual stresses in the coating. The validity of the calculation procedure has been corroborated by direct measurements of the crack increment. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений Characterization of the Coating Discrete Structure with the Account of Residual Stresses Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
spellingShingle	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений Ляшенко, Б.А. Сорока, Е.Б. Рутковский, А.В. Липинская, Н.В. Научно-технический раздел
title_short	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
title_full	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
title_fullStr	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
title_full_unstemmed	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
title_sort	определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений
author	Ляшенко, Б.А. Сорока, Е.Б. Рутковский, А.В. Липинская, Н.В.
author_facet	Ляшенко, Б.А. Сорока, Е.Б. Рутковский, А.В. Липинская, Н.В.
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
publishDate	2002
language	Russian
container_title	Проблемы прочности
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
format	Article
title_alt	Characterization of the Coating Discrete Structure with the Account of Residual Stresses
description	Предложено размеры дискретного участка покрытия выбирать на основе расчета величины критического шага трещины при когезионном растрескивании. Такой подход позволяет учесть остаточные напряжения в покрытии. Достоверность метода расчета подтверждена экспериментально прямым измерением шага трещин. Запропоновано розміри дискретної ділянки покриття вибирати на основі розрахунку величини критичного кроку тріщини в умовах когезійного розтріскування. Такий підхід дозволяє врахувати залишкові напруження в покритті. Достовірність методу розрахунку підтверджена експериментально прямим вимірюванням кроку тріщини. We propose that selection of the coating discrete zone dimensions should be based on the calculation of the critical crack increment in cohesive cracking. Such an approach allows the account of residual stresses in the coating. The validity of the calculation procedure has been corroborated by direct measurements of the crack increment.
issn	0556-171X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46878
citation_txt	Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений / Б.А. Ляшенко, Е.Б. Сорока, А.В. Рутковский, Н.В. Липинская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 119-125. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT lâšenkoba opredelenieparametrovdiskretnoistrukturypokrytiisučetomostatočnyhnaprâženii AT sorokaeb opredelenieparametrovdiskretnoistrukturypokrytiisučetomostatočnyhnaprâženii AT rutkovskiiav opredelenieparametrovdiskretnoistrukturypokrytiisučetomostatočnyhnaprâženii AT lipinskaânv opredelenieparametrovdiskretnoistrukturypokrytiisučetomostatočnyhnaprâženii AT lâšenkoba characterizationofthecoatingdiscretestructurewiththeaccountofresidualstresses AT sorokaeb characterizationofthecoatingdiscretestructurewiththeaccountofresidualstresses AT rutkovskiiav characterizationofthecoatingdiscretestructurewiththeaccountofresidualstresses AT lipinskaânv characterizationofthecoatingdiscretestructurewiththeaccountofresidualstresses
first_indexed	2025-11-26T01:08:40Z
last_indexed	2025-11-26T01:08:40Z
_version_	1850601241547112448
fulltext	УДК 539.4 Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений Б. А. Л яш енко, Е. Б. Сорока, А. В. Рутковский, Н. В. Л ипинская Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Предложено размеры дискретного участка покрытия выбирать на основе расчета вели чины критического шага трещины при когезионном растрескивании. Такой подход позво ляет учесть остаточные напряжения в покрытии. Достоверность метода расчета под тверждена экспериментально прямым измерением шага трещин. К лю чевы е слова : покрытие дискретной структуры, когезионное растрески вание, адгезионное отслоение, остаточные напряжения, критический шаг трещины. О б о з н а ч е н и я эф П ОСТ П ЭКСП ̂К н , ь Е О,Е П I С П С0,0 П I эффективные напряжения в покрытии остаточные напряжения в покрытии эксплуатационные напряжения в покрытии, возникающие под действием приложенной к образцу нагрузки критическая деформация основы под действием внешней нагрузки толщина основы и покрытия соответственно модули упругости основы и покрытия соответственно базовый размер величина шага трещин в покрытии модули сдвига основы и покрытия соответственно когезионная прочность покрытия Поскольку используемые на практике покрытия, как правило, являются сплошными, их разрушение вследствие когезионного растрескивания и адге зионного отслоения может наступать до исчерпания ресурса детали с покры тием. Учитывая недостатки сплошных покрытий, представляется целесо образным наносить покрытия дискретной структуры [1]. Это позволит дос тичь высокой адгезионной и когезионной стойкости каждого отдельного участка путем снижения нормальных напряжений в покрытии за счет огра ничения длины участка и касательных напряжений в плоскости адгезион ного контакта. Дискретные покрытия по сравнению со сплошными имеют ряд пре имуществ. Образование регулярных “островковых” участков на поверхности скольжения при трении приводит к снижению коэффициента трения и износа [1], а также обеспечивает повышение износостойкости углеродистой стали за счет возникновения твердых участков, содержащих дискретные П © Б. А. ЛЯШЕНКО, Е. Б. СОРОКА, А. В. РУТКОВСКИЙ, Н. В. ЛИПИНСКАЯ, 2002 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 4 119 Б. А. Ляшенко, Е. Б. Сорока, А. В. Рутковский, Н. В. Липинская окислы на шлифованной поверхности стали. Нанесенные по эпюре износа методом электроискрового легирования дискретные покрытия позволили увеличить ресурс бронзовых опор скольжения [2]. Благодаря применению износостойких дискретных покрытий на основе нитридов титана, алюми ния, хрома и циркония на режущей нитридной керамике удалось повысить износ резцов по сравнению с керамическим режущим инструментом со сплошными покрытиями при обработке закаленных инструментальных ста лей ШХ15 и ХВГ [3]. При этом дискретные покрытия, в отличие от сплош ных, обеспечивают полное отсутствие износа резца в первые 10-13 минут точения. При использовании метода катодно-ионной бомбардировки дискретные покрытия можно получать с помощью формообразующих масок с различ ными геометрическими параметрами. В этом случае основным является выбор размера дискретного участка покрытия. Очевидно, что он может быть выбран исходя из расчета расстояния между трещинами (шага трещин) при когезионном растрескивании [1]. Известно, что образование трещин в по крытии (фрагментация) будет происходить до тех пор, пока расстояние между ними не достигнет критической величины. Как отмечалось ранее [1], после фрагментации защитного слоя до размеров, близких к критическим, при дальнейшем деформировании не наблюдается ни когезионное растрес кивание покрытия, ни его адгезионное отслоение. Изучению фрагментации покрытий, измерению шага и плотности тре щин посвящены многочисленные исследования [4-9]. В работе рассматри валась фрагментация керамического жаростойкого слоя теплозащитного по крытия при испытаниях на ползучесть в условиях стационарного и нестаци онарного теплового воздействия. Были построены зависимости шага трещин от пластической деформации основы. Полученные зависимости позволили сравнить различные типы покрытий с точки зрения долговечности и указать пути ее повышения. В [5] построена вероятностная зависимость прочности стальной детали с покрытием от плотности начальных трещин с учетом остаточных напряжений. Авторами работы [6] получены аналитические зависимости модулей упругости и сдвига, а также коэффициента Пуассона от плотности трещин для слоистых композитов. Количество трещин в по крытии и их распределение при изгибе стальных образцов с карбидными покрытиями, находящимися в состоянии остаточного сжатия, определяли в [7]. Поведение трещин оценивали параметром Вейбулла. На основе статис тического подхода и классических подходов механики в [8, 9] изучалась фрагментация покрытий при одноосном напряженном состоянии. Показано, что формирование трещин приводит к релаксации напряжений в покрытии, что препятствует образованию новой трещины внутри фрагмента послед него. Цель настоящей работы - рациональное конструирование дискретного покрытия. Авторами предложен метод, базирующийся на расчете величины критического шага трещины, которая является исходной для определения параметров дискретного покрытия. Этот же метод использовался ранее [1], но без учета остаточных напряжений в покрытии. Вместе с тем уровень остаточных напряжений в покрытии на основе нитрида титана может изме 120 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 Определение параметров дискретной структуры покрытий няться от + 700 до —3000 МПа в зависимости от способа нанесения покрытия и материала основы. Высокий уровень напряжений оказывает значительное воздействие на прочностные характеристики системы основа-покрытие [10]. Метод учитывает остаточные напряжения, определенные эксперимен тально-расчетным путем. Достоверность метода подтверждена эксперимен тально прямым измерением шага трещины. Испытания на растяжение стандартных образцов толщиной 1,5 мм проводили на установке БМ-1000. Анализ деформирования покрытия на основе нитрида титана (е-Т12К) толщиной 20 мкм, осажденного методом катодно-ионной бомбардировки в вакууме на подложку из титанового сплава ВТ5, показал, что по достижении некоторой величины деформации основы е 0 = е к = 0,6% рабочий участок образца покрывается равномерной сеткой трещин, перпендикулярных направлению действия напряжений, возника ющих при приложении статической нагрузки вдоль оси образца (рис. 1). Шаг трещин С п измеряли вдоль пяти линий, параллельных оси образца, с помощью оптического микроскопа МИР-12. Результаты измерений приведе ны на рис. 2. Экспериментальные точки, нанесенные в координатах Р\ — С п на вероятностной бумаге Вейбулла, ложатся на прямую линию. Характер на копления частоты Р1 дает представление о том, что распределение значений шага трещины С п подчиняется нормальному закону. Там же показано изменение напряжений в покрытии а пф по его длине, рассчитанное по зависимости гибкого образца [11], а пст = 700 МПа; а пксп - эксплуатационные напряже ния в покрытии, возникающие под действием приложенной к образцу нагрузки и рассчитанные по зависимости [12] где е к - критическая деформация основы под действием внешней нагрузки Р; Н , И - толщина основы и покрытия; Е о , Е п - модули упругости основы и покрытия; I - базовый размер, эксп (1) Здесь а пст - остаточные напряжения в покрытии, измеренные методом сИ( к г ) сИ( к1) , (2) (3) Н И (Б 0 , Б п - модули сдвига основы и покрытия). ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 121 Б. А. Ляшенко, Е. Б. Сорока, А. В. Рутковский, Н. В. Липинская Рис. 1. Рабочий участок образца из титанового сплава ВТ5, покрытый равномерной сеткой трещин при деформации основы е0 = е к = 0,6%. Для наглядности масштабы выбраны таким образом, что величина когезионной прочности покрытия о ^ = е кЕ п совпадает с 50%-ным накопле нием частоты шага трещин С п . Как следует из рис. 2, шаг трещины С п со впадает с характерным участком выхода зависимости опф на асимптоти ческий уровень. Затем значение опф асимптотически приближается к е кЕ п. Р: о п, МПа 0 0.1 0,39 0.5 2500 1900 1300 700 1,0 С п, мм Рис. 2. Расчет шага дискретного участка покрытия. Определим расчетные значения шага трещин С п . Предположим, что когезионная прочность покрытия о у нормально распределена со стандарт ным отклонением 0,1 о у . Тогда трещины возникнут в сечении (I — с) при о пф = 0,9 о у . С учетом того, что о у = о ̂ ксп + о ост при 2 = 0, из соотношения о пксп + о ост — ----------— = 0,9 о / 122 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 Определение параметров дискретной структуры покрытий и зависимости (2) получим сИ к1 Отсюда I сИ[к( I - С п)] = 0,1 + а . сИ( к1). После преобразований запишем выражение для шага трещины С п = - к 1П 0,1 + а п (4) Подставив значения оПст = 700 МПа, £к = 0,6%, Е п = 4,4-10 МПа, к = 2,55 в (4), получим С п = 0,39 мм. Расчетное значение шага трещины совпадает с измеренной величиной С п , соответствующей 50%-ному накоп лению частоты этого параметра, что свидетельствует о достоверности рас четной модели. С п, мм £ К Е п Рис. 3. Расчетная зависимость шага трещины С п от соотношения остаточных напряжений оопст и когезионной прочности £кЕп покрытия при различной толщине последнего: 1 - к = 40 мкм; 2 - к = 20 мкм; 3 - к = 10 мкм. ост II Таким образом, формула (4) позволяет заложить размеры дискретного участка на стадии конструирования покрытия. Кроме того, с ее помощью можно построить зависимости шага трещины от соотношения остаточных напряжений и когезионной прочности покрытия при различной толщине последнего (рис. 3). Точки пересечения кривых с осью ординат соответст- ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 123 Б. А. Ляшенко, Е. Б. Сорока, А. В. Рутковский, Н. В. Липинская вуют значениям шага трещин, возникающих при нулевых остаточных напря жениях в покрытии (растрескивание наступает под действием напряжений в результате приложения только внешней нагрузки). Точки пересечения кри вых с осью абсцисс соответствуют когезионному растрескиванию под дейст вием остаточных напряжений в покрытии еще до момента приложения внешней нагрузки. Участки кривых, расположенные в правом верхнем квад ранте, соответствуют остаточным напряжениям растяжения. Левый верхний квадрант содержит участки кривых, соответствующих отрицательным оста точным напряжениям, которые уменьшают действие приложенного напря жения и таким образом препятствуют растрескиванию. При наличии в покрытии значительных остаточных напряжений сжатия в процессе нагружения системы основа-покрытие (до начала роста пласти ческих деформаций) растрескивания покрытия не наблюдается. Такая ситу ация имеет место при растяжении образца из стали Х18Н10Т с покрытием на основе нитрида титана (а-ТіК), которое нанесено методом катодно-ион ной бомбардировки [11]. Величины остаточных напряжений в таком покры тии толщиной 6, 10 и 16 мкм соответственно составили —2000, —3000 и —2700 МПа, что свидетельствует о высокой когезионной прочности. Таким образом, предлагаемый метод позволяет на стадии проектиро вания рассчитать размер дискретного участка покрытия с учетом остаточных напряжений и проанализировать влияние величины и знака остаточных напряжений на процесс когезионного растрескивания. Р е з ю м е Запропоновано розміри дискретної ділянки покриття вибирати на основі розрахунку величини критичного кроку тріщини в умовах когезійного роз тріскування. Такий підхід дозволяє врахувати залишкові напруження в покритті. Достовірність методу розрахунку підтверджена експериментально прямим вимірюванням кроку тріщини. 1. Ляшенко Б. А., Кузема Ю. А., Д игам М. С. Упрочнение поверхности металлов покрытиями дискретной структуры с повышенной адгезион ной и когезионной стойкостью. - Киев: Ин-т пробл. прочности АН УССР, 1984. - 57 с. 2. Ляшенко Б. А., Єрмолаєв В. В., М ірненко В. І. Відновлення бронзових деталей диференційними дискретними покриттями по епюрі нерівно мірного зносу: Збірник наук. праць Ін-ту надтвердих матеріалів НАН України “Современные процессы механической обработки и качество поверхностей деталей машин”. - Київ: Ін-т надтвердих матеріалів НАН України, 1998. - С. 53 - 56. 3. Фоменко С. Н. Повышение эксплуатационных характеристик инстру ментальных материалов на основе нитрида кремния нанесением износо стойких покрытий: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. - Киев, 1997. - 19 с. 124 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 Определение параметров дискретной структуры покрытий 4. Браиловский Г. Э., Ляшенко Б. А., Цыгулев О. В. и др. Разрушение защитных покрытий различной конструкции и толщины // Пробл. проч ности. - 1990. - № 3. - С. 97 - 101. 5. Gille G. Investigations of mechanical behavior of brittle wear-resistant coatings // Thin Solid Films. - 1984. - 111, No. 3. - P. 201 - 218. 6. Tan S. R. and Nuism er R. J. A theory for progressive matrix cracking in composite laminates // J. Compos. Mater. - 1989. - 23, No. 3. - P. 1029 - 1047. 7. Wetzing K., Edelmann J., Gille G., et al. Structure, mechanical and stability behavior of hard material layers on steel substrates // High-Purity Materials Sciences and Technologies (Int. Symp., Dresden, May 6-10). - Oberiung- witz, 1985. - P. 444 - 445. 8. M ezin A., Ramboarina R., and Lepage J. A statistical approach for cracking of deposits: determination of mechanical properties // Mech. Coating. - 1990. - 17. - P. 209 - 213. 9. M ezin A. Aspects statitiques de la multifissuration unidirectionnelle des revetements // Acta Met. Mater. - 1995. - 43, No. 8. - P. 3151 - 3157. 10. Рутковский А. В., Ляшенко Б. А., Гопкало А. П., Сорока Е. Б. Об упрочняющей роли вакуум-плазменных покрытий // Пробл. прочности. - 1999. - № 6. - С. 123 - 127. 11. М ат веев Н. В., Краснов А. Н , М илосердое И. В. и др. Остаточные напряжения в покрытии из нитрида титана, осажденного в вакууме // Там же. - 1985. - № 5. - С. 90 - 93. 12. Уманский Э. С., Ляшенко Б. А. Условия адгезионной и когезионной равнопрочности жаростойких покрытий // Косм. исслед. на Украине. - 1975. - Вып. 6. - С. 58 - 64. Поступила 30. 01. 2001 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 125

Определение параметров дискретной структуры покрытий с учетом остаточных напряжений

Репозитарії

Схожі ресурси