Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава
Представлены результаты экспериментальных исследований статической и циклической
 прочности титанового сплава ВТ20 с вакуум-плазменным покрытием ТШ. Установлено,
 что такое покрытие повышает характеристики статической прочности и снижает
 характеристики пластичности. В услови...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47997 |
| 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: | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на
 сопротивление статическому и циклическому нагружению
 титанового сплава / А.П. Гопкало, А.В. Рутковский, В.И. Мирненко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860010107485552640 |
|---|---|
| author | Гопкало, А.П. Рутковский, А.В. Мирненко, В.И. |
| author_facet | Гопкало, А.П. Рутковский, А.В. Мирненко, В.И. |
| citation_txt | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на
 сопротивление статическому и циклическому нагружению
 титанового сплава / А.П. Гопкало, А.В. Рутковский, В.И. Мирненко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Представлены результаты экспериментальных исследований статической и циклической
прочности титанового сплава ВТ20 с вакуум-плазменным покрытием ТШ. Установлено,
что такое покрытие повышает характеристики статической прочности и снижает
характеристики пластичности. В условиях малоциклового нагружения нанесение покрытия
приводит к росту характеристик циклической прочности при квазистатическом разрушении
и к их снижению при усталостном разрушении.
Представлено результати експериментальних досліджень статичної та циклічної
міцності титанового сплаву ВТ20 із вакуум-плазмовим покриттям
TiN. Установлено, що таке покриття покращує характеристики статичної
міцності та погіршує характеристики пластичності. В умовах малоциклового
навантаження нанесення покриття призводить до підвищення характеристик
циклічної міцності при квазістатичному руйнуванні та до їх зниження
при руйнуванні від утомленості.
We present the experimental data on static and
cyclic strength of VT20 titanium alloy with
TiN vacuum-plasma coating. It is shown that
application of this coating improves the static
strength characteristics and reduces plastic characteristics
of the above alloy. Under low-cycle
loading conditions, the coating application provides
improvement of cyclic strength characteristics
in quasistatic fracture and their deterioration
in fatigue.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на
сопротивление статическому и циклическому нагружению
титанового сплава
А. П . Г о п кал о а, А. В. Р у тко вски й а, В. И . М и рн ен ко6
а Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
6 Национальная академия обороны Украины, Киев, Украина
Представлены результаты экспериментальных исследований статической и циклической
прочности титанового сплава ВТ20 с вакуум-плазменным покрытием ТШ. Установлено,
что такое покрытие повышает характеристики статической прочности и снижает
характеристики пластичности. В условиях малоциклового нагружения нанесение покрытия
приводит к росту характеристик циклической прочности при квазистатическом разру
шении и к их снижению при усталостном разрушении.
К л ю ч е в ы е с л о в а : напряжения, деформация, разрушение, циклическое на
гружение, малоцикловая усталость, циклическая долговечность.
Введение. Весьма часто разрушение деталей начинается с поверхности.
Поверхностный слой материалов играет исключительно важную роль в
процессе их деформирования и разрушения, поскольку находится в особых
энергетических условиях. Атомы и молекулы на поверхности имеют связи
лишь со стороны основной части материала, поэтому их состояние неуравно
вешенное, они более активны и обладают избыточной энергией. В связи с
этим создаются условия для взаимодействия поверхностного слоя с внеш ней
средой. В поверхностном слое особенно сильно проявляются последствия
механической, термической, химической и других видов обработки деталей
в процессе их производства. Все эти факторы взаимосвязаны, и разделить их
влияние на сопротивление материалов деформированию и разрушению чрез
вычайно сложно, если возможно вообще.
Поверхностный слой материала формируется при изготовлении детали,
в первую очередь при ее механической обработке (резание), а затем изме
няется вследствие воздействий, которым она подвергается при последующей
обработке и эксплуатации. Инициаторами разрушений являются макро- и
микродефекты, остаточные напряжения на поверхности, особенности меха
нических и физических свойств поверхностного слоя, коррозия, фреттинг-
коррозия, высокотемпературная газовая коррозия, эрозия, износ и т.п. Работо
способность деталей в условиях эксплуатации обеспечивается благодаря
выбору соответствующих конкретных условий эксплуатации материалов и
технологии обработки поверхностного слоя (механическая, термическая,
химико-термическая и т.п.), а также применению специальных технологий
нанесения различных покрытий с использованием диффузионной, элект
ронно-лучевой, плазменной, электроискровой, детонационной и др.
Процесс разрушения деталей начинается с локальных разруш ений по
верхностных слоев материала. Специфическое влияние поверхности на раз
© А. П. ГОПКАЛО, А. В. РУТКОВСКИЙ, В. И. МИРНЕНКО, 2007
100 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1
Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки
рушение детали заключается не только в наличии шероховатости и концент
рации напряжений, но и в пластическом ее деформировании, которое в
условиях однородного напряженного состояния начинается раньше, чем в
сердцевине детали, вследствие особенностей механических и физических
свойств поверхностных слоев. Проведенные экспериментальные исследова
ния [1] показали, например, что в условиях однородного напряженного
состояния предел текучести поверхностного слоя низкоуглеродистой стали
на 25% ниже, чем основного металла, а согласно другим данным условный
предел текучести самых тонких образцов составляет всего 20% этой вели
чины толстых образцов. При этом на поверхности происходит пластическое
течение, в то время как сердцевина находится в упругом состоянии.
В связи с этим для повышения прочностных свойств поверхности
изделий на практике широко используются закалка токами высокой частоты,
поверхностное пластическое деформирование, азотирование, цементация,
различные покрытия металлическими и неметаллическими материалами, с
помощью которых в поверхностном слое создают остаточные напряжения
сжатия глубиной 30-200 мкм [2].
Известно, что различные покрытия на кристаллических поверхностях,
например оксидные или металлические пленки, легированные слои или
слои, полученные в результате химической реакции, повышают прочность
многих кристаллов (эффект Роско) [3]. Пленки из металлических и неметал
лических материалов кроме создания остаточных напряжений сжатия сни
жают концентрацию напряжений от поверхностных дефектов (залечивают
дефекты) и блокируют выход дислокаций на поверхность.
В данной работе рассмотрено влияние вакуум-плазменных покрытий
ТШ толщиной 5-8 мкм на сопротивление кратковременному статическому и
циклическому нагружению титанового сплава ВТ20. Ранее проведенные
исследования показали, например, что вакуум-плазменная обработка образ
цов из стали Х18Н10Т с покрытием ТШ толщиной 10,5 мкм приводит к
повыш ению условного предела текучести на 31% [4].
О б р азц ы и и сп ы тател ьн о е оборудование. Испытанию подвергали
образцы (размер рабочей части 3 0 x 1 5 x 1 мм), вырезанные поперек проката
из листа титанового сплава ВТ20, в исходном состоянии и с нанесенным
вакуум-плазменным способом покрытием ТШ [5].
Кратковременные статические и циклические испытания проводили на
стандартной электрогидравлической машине 3201УЭ-20.
Циклические испытания осуществляли при осевом растяжении с контро
лем уровня максимальных и минимальных напряжений (“мягкий” режим
нагружения) при коэффициенте асимметрии цикла Я = 0. При мягком реж и
ме циклического нагружения в условиях циклического упругопластического
деформирования в материале накапливаются в основном два вида повреж
дения: квазистатическое, обусловленное процессами ползучести (разруше
ние происходит в результате исчерпания исходной пластичности материала),
и усталостное, связанное с пластическим деформированием в локальных
зонах (разрушение происходит вследствие зарождения и развития трещины
усталости до критического размера).
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, N 1 101
А. П. Гопкало, А. В. Рутковский, В. И. Мирненко
Перед испытаниями на рабочую часть образца устанавливали тензометр
для измерения продольной деформации. В процессе циклического нагруже
ния двухкоординатным графопостроителем записывались диаграммы цикли
ческого деформирования рабочей части образца. Испытания проводили при
комнатной температуре с частотой циклического нагружения / = 0,3 Гц до
полного разрушения образца (разделение на две части). По результатам
испытаний строили кривые усталости.
Р езультаты и сп ы тан и й и их обсуждение. Результаты кратковремен
ных статических испытаний лабораторных образцов в исходном состоянии
и с покрытием ТШ представлены в таблице.
Механические свойства сплава ВТ20 в исходном состоянии и с покрытием TiN
Материал а 1, МПа а0 2, МПа д, % V, %
ВТ20
исходный 1096,3 961,6 11,49 18,63
с покрытием ТІК 1172,6 1163,7 9,33 13,9
(+6,5) (+17,37) (-18,8) (-25,39)
Примечание. В скобках в процентах указано влияние покрытия ТІК на соответствующие
характеристики.
В целом можно отметить, что наличие покрытия ТІК повышает харак
теристики кратковременной статической прочности материала при одновре
менном снижении характеристик пластичности, т.е. покрытие как бы “охруп-
чивает” материал. Для образцов с покрытием диапазон напряжений на
участке деформационного упрочнения составляет всего 8,9 МПа, в то время
как для исходного материала - 134,7 МПа.
Результаты испытаний на малоцикловую усталость образцов из тита
нового сплава в исходном состоянии и с покрытием ТІК представлены на
рис. 1. Видно, что кривые усталости в области долговечностей приблизи
тельно до (5...7) • 10 цикл имеют характерный перелом, который обусловлен
переходом от квазистатического разрушения к усталостному. Вследствие
упрочнения материала и снижения его исходной пластичности (охрупчи
вание) при нанесении покрытия ТІК точка перелома кривых усталости
смещается в область меньших долговечностей. В исследованном диапазоне
долговечностей значения циклических напряжений для кривой малоцикло
вой усталости титанового сплава в исходном состоянии находятся в преде
лах участка деформационного упрочнения (рис. 2) в отличие от аналогичной
кривой для этого же сплава, но с покрытием при напряжениях ниже услов
ного предела текучести.
Характер кривой предельных значений остаточной деформации сплава
ВТ20 как в исходном состоянии, так и при наличии покрытия ТІК при
усталостном разрушении (рис. 3) свидетельствует о том, что по мере сниже
ния максимальных напряжений цикла величина остаточной деформации
асимптотически приближается к нулю. По мере повы ш ения уровня макси
мальных напряжений остаточная деформация также возрастает и стремится
к предельным значениям исходной пластичности д, определенным при
102 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1
Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки
кратковременных статических испытаниях соответствующ их типов образ
цов (без покрытия и с покрытием). При этом как по уровню приведенных
напряжений, так и по величине реализованной исходной пластичности для
исходного материала и материала с покрытием можно достаточно четко
выделить зоны квазистатического и усталостного разрушения (рис. 4). Квази-
статическому разрушению соответствуют значения реализованной пластич
ности, близкие к единице при значениях приведенных напряжений, соответ
ствующих условному пределу текучести материала или превышающих его.
1000 юооо N р, цикл
Рис. 1. Кривые малоцикловой усталости сплава ВТ20 в координатах а тах — N р. (Здесь и на
рис. 2-6: 1 - исходное состояние; 2 - покрытие ТЫ; светлые точки - квазистатическое
разрушение, темные - усталостное.)
а тах/ а 0,2
Рис. 2. Кривые малоцикловой усталости сплава ВТ20 в координатах а тах/ а 0 2 — N р.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1 103
А. П. Гопкало, А. В. Рутковский, В. И. Мирненко
Рис. 3. Зависимость остаточной деформации сплава ВТ20 от уровня максимальных напря
жений.
х/°0,2
Рис. 4. Зависимость приведенной остаточной деформации от величины приведенных напря
жений.
Результаты испытаний, представленные на рис. 5, свидетельствуют о
том, что в условиях малоциклового нагружения по мягкому режиму в
материале одновременно протекают процессы накопления как статических,
так и усталостных повреждений. Накопление статических повреждений
связано с процессами ползучести материала, в этом случае окончательное
разрушение происходит при реализации пластичности материала, близкой к
исходной д. Усталостное повреждение накапливается в локальных зонах на
фоне пластического деформирования всего объема материала, и разрушение
происходит по достижении усталостной трещ иной критического размера, но
при этом накопленная пластическая деформация не достигает критического
значения д (рис. 6).
а тах ’ МПа
104 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1
Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки
Рис. 5. Зависимость остаточной деформации сплава ВТ20 от числа циклов до разрушения.
£/ 1 8
Рис. 6. Кривые малоцикловой усталости сплава ВТ20 в координатах £ ̂ 8 — N р.
В ы в о д ы
1. Нанесение вакуум-плазменным методом покрытия ТШ повышает
предел прочности и условный предел текучести исходного материала на 6,5
и 17,37% соответственно, снижая тем самым относительное удлинение на
18,8% и относительное сужение на 25,39%. Указанное обстоятельство свиде
тельствует о том, что вследствие нанесения вакуум-плазменного покрытия
исследуемый материал “охрупчивается”, что приводит к уменьшению про
должительности участка деформационного упрочнения.
2. В условиях малоциклового мягкого нагружения покрытие Т1К в
области квазистатического разрушения повышает ограниченный предел вы
носливости на 4,7%. При этом чувствительность циклической долговеч
ности к изменению напряжений в исследуемом диапазоне не изменяется.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1 105
А. П. Гопкало, А. В. Рутковский, В. И. Мирненко
3. В условиях усталостного разрушения вследствие охрупчивания мате
риала зона перехода от квазистатического разрушения к усталостному сме
щается в область меньших долговечностей. При этом резко повышается
чувствительность циклической долговечности к изменению напряжений
(повышается склонность к хрупкому разрушению).
4. Благодаря нанесению вакуум-плазменного покрытия TiN на поверх
ность исследуемого титанового сплава ВТ20, работающего при малоцикло
вом нагружении с высоким уровнем упругопластического деформирования
(до (5.. .7) ■ 10 цикл), можно существенно повысить его циклическую долго
вечность. Это позволяет сделать оптимистический прогноз о возможности
разработки методов ремонта деталей путем нанесения покрытий с целью
повыш ения их ресурса и “залечивания” дефектов. Однако для исследуемого
материала в области усталостного разрушения (в области долговечности
выше (5. ..7) ■ 10 цикл) нанесение вакуум-плазменного покрытия оказывает
вредное влияние: охрупчивается материал, снижается число циклов до раз
рушения и повышается чувствительность циклической долговечности к
изменению напряжений.
Р е з ю м е
Представлено результати експериментальних досліджень статичної та цик
лічної міцності титанового сплаву ВТ20 із вакуум-плазмовим покриттям
TiN. Установлено, що таке покриття покращує характеристики статичної
міцності та погіршує характеристики пластичності. В умовах малоцикло
вого навантаження нанесення покриття призводить до підвищення харак
теристик циклічної міцності при квазістатичному руйнуванні та до їх зни
ження при руйнуванні від утомленості.
1. S a to Y., S a sa k i H ., a n d K u m a n a A . Surface layer yielding o f low-carbon
steel cylinders // J. Mater. Sci. Soc. Jap. - 1980. - 17, No. 3/4. - P. 185 —
192.
2. Г л и к м а н Л . А., С а н ф и р о ва Т. П ., С т е п а н о в В. А . О возникновении
остаточных напряжений первого рода при растяжении // Журн. теорет.
физики. - 1949. - № 3. - С. 327 - 330.
3. Х а р л а м о в Ю . А., Б у д а гъ я н ц Н . А . Физика, химия и механика поверх
ности твердого тела. - Луганск: ВУГУ, 2000. - 624 с.
4. Г о п к а л о А . П ., Р у т к о вс к и й А . В., Л я ш е н к о Б. А., С о р о к а Е. Б . Об
упрочняющей роли вакуум-плазменных покрытий // Пробл. прочности.
- 1999. - № 6. - С. 123 - 127.
5. Л я ш е н к о Б. А ., М и р н е н к о В. И., Р у т к о вс к и й А . В . Поверхностное
упрочнение изделий из титановых сплавов для перспективных разра
боток // Артиллерийское и стрелковое вооружение. - 2004. - Вып. 2. -
С. 50 - 52.
Поступила 20. 05. 2005
106 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 1
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47997 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гопкало, А.П. Рутковский, А.В. Мирненко, В.И. 2013-08-12T12:31:00Z 2013-08-12T12:31:00Z 2007 Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на
 сопротивление статическому и циклическому нагружению
 титанового сплава / А.П. Гопкало, А.В. Рутковский, В.И. Мирненко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47997 539.4 Представлены результаты экспериментальных исследований статической и циклической
 прочности титанового сплава ВТ20 с вакуум-плазменным покрытием ТШ. Установлено,
 что такое покрытие повышает характеристики статической прочности и снижает
 характеристики пластичности. В условиях малоциклового нагружения нанесение покрытия
 приводит к росту характеристик циклической прочности при квазистатическом разрушении
 и к их снижению при усталостном разрушении. Представлено результати експериментальних досліджень статичної та циклічної
 міцності титанового сплаву ВТ20 із вакуум-плазмовим покриттям
 TiN. Установлено, що таке покриття покращує характеристики статичної
 міцності та погіршує характеристики пластичності. В умовах малоциклового
 навантаження нанесення покриття призводить до підвищення характеристик
 циклічної міцності при квазістатичному руйнуванні та до їх зниження
 при руйнуванні від утомленості. We present the experimental data on static and
 cyclic strength of VT20 titanium alloy with
 TiN vacuum-plasma coating. It is shown that
 application of this coating improves the static
 strength characteristics and reduces plastic characteristics
 of the above alloy. Under low-cycle
 loading conditions, the coating application provides
 improvement of cyclic strength characteristics
 in quasistatic fracture and their deterioration
 in fatigue. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава The impact of vacuum-plasma surface treatment on static and cyclic strength of a titanium alloy Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава Гопкало, А.П. Рутковский, А.В. Мирненко, В.И. Научно-технический раздел |
| title | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| title_alt | The impact of vacuum-plasma surface treatment on static and cyclic strength of a titanium alloy |
| title_full | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| title_fullStr | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| title_full_unstemmed | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| title_short | Влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| title_sort | влияние поверхностной вакуум-плазменной обработки на сопротивление статическому и циклическому нагружению титанового сплава |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47997 |
| work_keys_str_mv | AT gopkaloap vliâniepoverhnostnoivakuumplazmennoiobrabotkinasoprotivleniestatičeskomuicikličeskomunagruženiûtitanovogosplava AT rutkovskiiav vliâniepoverhnostnoivakuumplazmennoiobrabotkinasoprotivleniestatičeskomuicikličeskomunagruženiûtitanovogosplava AT mirnenkovi vliâniepoverhnostnoivakuumplazmennoiobrabotkinasoprotivleniestatičeskomuicikličeskomunagruženiûtitanovogosplava AT gopkaloap theimpactofvacuumplasmasurfacetreatmentonstaticandcyclicstrengthofatitaniumalloy AT rutkovskiiav theimpactofvacuumplasmasurfacetreatmentonstaticandcyclicstrengthofatitaniumalloy AT mirnenkovi theimpactofvacuumplasmasurfacetreatmentonstaticandcyclicstrengthofatitaniumalloy |