Остаточные напряжения в покрытиях

«Инженерия поверхности - технологии будущего»

Остаточные напряжения в покрытиях
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

Остаточные напряжения (ОН) являются одной из основных причин разрушения покрытий. К настоящему времени опубликован ряд фундаментальных работ, посвященных их изучению, методам определения и влиянию на характеристики покрытий [3, 9-14 и др.].

Различают внутренние напряжения трех родов [5]:

- Внутренние напряжения первого рода возникают между отдельными зонами сечения и между различными частями детали

- Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерен или между соседними зернами. Они возникают между различными фазами вследствие разницы в коэффициентах термического расширения или из-за образования новых фаз, имеющих линейные объемы.

- Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической структуры. Как пример возникновения таких напряжений – случай, когда инородный атом в твердом растворе создает вокруг себя упругие напряжения.

Для сплошных материалов уровень временного сопротивления разрыву составляет: у литья высокопрочных сталей порядка 1700 МПа, у поковок из высокопрочных сталей– 1200 МПа, у высокопрочных низколегированных сталей – 550 МПа.

В отличие от сплошных материалов связь между отдельными частицами значительно ниже прочности самих составляющих покрытия. У ГТН-покрытий уровень временного сопротивления разрыву составляет 27,5…55 МПа, с постепенным ростом до 150 МПа при различной технологической обработке.

Из сравнения прочности сплошных материалов и покрытий видно, что прочность покрытия в большей степени определяется не прочностью материала отдельных частиц, а силами сцепления между этими частицами.В процессе напыления расплавленные частицы с большой скоростью ударяются о поверхность основы, деформируются и закрепляются на ней за счет сил сцепления. При кристаллизации отдельной частицы возникают остаточные напряжения (ОН) второго и третьего рода, которые уравновешиваются в объеме одной частицы. Для изучения ОН в окрытиях Вирником А. М. с соавторами принята модель, в которой вместо отдельных частиц рассматривается непрерывный слой [12]. Ряд последующих исследований [3, 9, 10] подтвердили воз-можность использования этой модели. Это позволяет проводить расчеты с использованием теорий физики сплошной среды (сопротивление материалов, теория упругости и пластичности, теория тепломассообмена и др.), на основе которых оцениваются напряжения первого рода, возникающие в макрообъемах тела.

В настоящее время принят следующий физический механизм их формирования. При нанесении покрытия, с ростом его толщины, поверхность кристаллизации перемещается по нормали к основе. Происходящее при этом изменение температуры приводит к тепловому расширению системы. Однако из-за закрепления покрытия на основе, непрерывного увеличения и возможного градиента температуры по сечению тепловое расширение происходит стесненно, т. е. возникают напряжения. Образование напряжений также обусловлено примесями, инородными включениями, границами блоков, различием коэффициентов термического расширения и параметров кристаллических решеток, фазовыми и структурными превращениями.

Таким образом, по мере роста покрытия на его поверхности формируются кристализационные напряжения. При переходе поверхностного элемента в объем на него накладываются напряжения, связанные с процессом непрерывного наращивания и постепенного изменения температур, нагрузок и влияния кристаллизационных напряжений других слоев. После того, как покрытие сформировано, оно охлаждается до температуры окружающей среды, а подложку освобождают из закрепляющего приспособления. Поэтому на напряжения, существующие в некотором объеме, накладываются температурные напряжения, связанные с охлаждением системы и с закрепляющим приспособлением.

Их алгебраическая сумма дает ОН. Если они превысят предел пластичности, то дальнейший расчет нужно вести с учетом этого аспекта.

При моделировании систему основа-покрытие заменяют однородной пластиной, на которую наносится материал с другими теплофизическими и упругими характеристиками (рис. 15). Впервые расчет напряжений в покрытии выполнен в работе [13] при следующих допущениях:

- пятно двухфазного потока представляет нормально распределенный источник тепла;

- в пластине реализуется плоское напряженное состояние (плоскость параллельна поверхности образца)

- толщина наносимого покрытия в процессе напыления увеличивается непрерывно;

- покрытие наносится одновременно по всей площади пластины.
Рис.15.png
Рис15_1.png

В последующих исследованиях уравнение (16) уточнялось применительно к имеющимся методикам экспериментальных исследований и использованному математическому аппарату

[9-11]. В. А. Барвинком [9] разработаны модели, предложены алгоритмы и реализованы программы расчета ОН в системе покрытие – деталь для следующих случаев:

- модельная однородная пластина толщиной h, на которую наносится материал с другими теплофизическими и упругими постоянными, не зависящими оттемпературы; учтен процесс наращивания слоев;

- n-слойное кольцо из материалов с различными модулями упругости, но близкими коэффициентами Пуассона;

- узкая n-слойная пластина с различными модулями упругости, но близкими коэффициентами Пуассона. Для модельной пластины использован чисто аналитический метод расчета. Для многослойных кольца и пластины аналитический расчет проведен наоснове экспериментальных данных по деформациям после последовательного удаления слоев покрытия.

Достаточно простой экспериментально-аналитический метод определения ОН предложен А. Ф. Пузряковым на основе измерения деформаций после последовательного электрохимического стравливания слоев (рис. 16) [11]. Величину ОН в напыленном слое и подложке экспериментально определяют по деформации образца в процессе постепенного удаления слоя. Для исследования

ОН производят напыление образцов размером 140 х 10 х 2 мм. Ширину b = 10мм выбирают из условия постоянства напряжений по ширине образца (b < 15мм). Снятие напряженных слоев осуществляют электрохимическим травлением при использовании которого механические воздействия на образец и величину ОН минимальны. Состав электролитов зависит от напыленного материала.

Рис16.png

Рис16_1.png

Рис16_2.png

Рис16_3.png

Рис16_4.png


Путем интегрирования значений ОН по толщине можно получить ОН напыленного слоя. Результаты расчетов показывают, что величина ОН может принимать, в зависимости от условий закрепления деталей, режимов напыления, материалов основы как положительные, так и отрицательные значения. Результаты расчетов показали, что в покрытиях плазменного напыления в атмосфере ОН могут изменяться от +60 до -200 МПа (толщина покрытия до 100 мкм, материалы покрытия нитриды титана и циркония, основы – XН70Ю, алюминиевые и титановые сплавы) [9].


Применительно к металлизации покрытиях измерение ОН проводилось в покрытиям из порошковых проволок на основе феррохрома и феррохромалюминия при последовательном механическом удалении слоев [14]. Измерения показали, что в наружных слоях покрытий толщиной 0,6 мм действуют растягивающие напряжения, которые уменьшаются при приближении к основе, а на глубине ~0,5 мм переходят в сжимающие (табл. 3).

Таблица1.png

Разрушение покрытия во многих случаях связано с отслаиванием на острых кромках и краях или вспучиванием. Это обусловлено тем, что при напылении частицы порошка на поверхность подложки по периметру частицы образуются нормальные напряжения, вызывающие появление изгибающего момента, который создает усилие, отрывающее или прижимающее край частицы к подложке (рис. 17). Отрывающие напряжения вызывают по периметру частицы (или покрытия) отслоение, прижимающие – вспучивание.

Рис17.png

Рис17_1.png

Рис17_2.png

Рис17_3.png

Рис17_4.png


Из структуры уравнения (23) видно, что напыление перегретыми частицами (несмотря на высокую прочность сцепления) приводит к формированию высоких отрывных усилий вследствие роста ОН. Это подтверждает опытные данные (глава 1) о повышенной опасности отслоения плазменных покрытий, формирующихся из сильно перегретых частиц, в сравнении с металлизационными, перегрев которых относительно точки плавления значительно меньше.


Оценка ОН в покрытиях толщиной 1 мм [10] показывает, что вид напряжений (сжимающие или растягивающие) и их градиент сильно зависят от напыляемого материала (рис. 19) и температуры предварительного подогрева (рис. 20). Так, при температуре частиц 100 градС прижимные напряжения формируются, если подложка подогрета до 100…300 градС. При меньших температурах подогрева возможно отслаивание покрытия, при больших – вспучивание.

Рис19.png


Недостатком этого подхода является отсутствие обоснования для переноса результатов расчетов для отдельной частицы на покрытие в целом. В. А. Барвинком на основе теории упругости выполнена оценка нормальных напряжений в зоне краевого эффекта в зависимости от распределения ОН внутри системы [9].

Рис21.png


Такой системой может быть покрытие на пластине, или отдельная частица на плоскости, а напряжения могут иметь различную природу. (упругие, термические, остаточные). Напряжения действуют почти по всей детали за исключением краевой зоны, где имеет место объемное напряженное состояние, при котором 0z≠0. Напряжения Ϭz ответственны за снижение адгезионной и когезионной прочности покрытия, а также за возникновение трещин в плоскости пластины.


Для решения задачи о напряженном состоянии краевой зоны использован следующий прием. Рассмотрено два напряженных состояния. Первое, когда во всей детали, включая краевую зону, действуют основные ОН (24). Такое состояние можно получить, если рассматриваемую пластину нагрузить по торцам напряжениями (24). В качестве второго напряженного состояния рассмотрена пластина без ОН, нагруженная по торцам также напряжениями (24). Разность этих двух состояний и даст напряженное состояние краевой зоны.


Для первого случая реализуется плоское напряженное состояние, нормальная компонента напряжений во всей пластине равна нулю. Следовательно, все компоненты напряжений для первого состояния известны.


Для второго напряженного состояния учтено, что приложенная нагрузка в пределах толщины свей системы самоуравновешена, также как и основные ОН. В соответствии с принципом Сен-Венана эффект действия такой нагрузки распространяется от края пластины на расстояние порядка толщины системы [15]. Поэтому вместо рассмотрения пластины достаточно рассмотреть брус прямоугольного сечения толщиной H и шириной, например, 1,5 H с приложенными нагрузками на одной из граней. На рис. 21б изображен такой брус для края, перпендикулярного оси х. Исходные нагрузки (23) приложены с обратным знаком, что позволяет сразу получить искомые Ϭz. Отметим, что касательное напряжение (23) вызывает только кручение бруса и вклад в Ϭz не вносит, поэтому влияние контурных ţxy не учтено.

Рис22.png

Рис23.png


На цилиндрических и сферических поверхностях в покрытиях действуют отрывающие или прижимающие усилия, в зависимости от соотношения КТР.

Рис24.png


Из выражений (25) -(28) видно, что наибольшую величину имеют напряжения, направленные вдоль оси трубы. Для наружных покрытий КТР покрытия и основы должны быть максимально приближены. Для внутренних покрытий соблюдение этого условия необязательно. Напряжения в покрытиях различаются в зависимости от соотношения КТР покрытия αn и материала основы αM при наружном и внутреннем напылении. В табл. 4 приведены схемы внутренних напряжений при отрыве покрытия от материала основы или его прижатия.

Таблица4.png

Таблица 4_1.png

Таблица4_2.png

На основании приведенных расчетов можно указать на некоторые закономерности формирования напряженного состояния покрытия, характеризуемые температурными, кристаллизационными и другими начальными напряжениями. После окончания процесса напыления в системе покрытие-основа возникают ОН, которые самоуравновешиваются в объеме этой системы. Следовательно, в материале всегда присутствуют области как сжимающих, так и растягивающих напряжений. Растягивающие напряжения приводят к снижению прочности материала и могут вызвать появление трещин, перпендикулярных к поверхности. После возникновения трещин уровень ОН в покрытии снижается. В зоне краевогоэффекта в слоях, где действуют растягивающие напряжения, формируются нормальные напряжения сжатия. Основные ОН растяжения оказывают, в целом, отрицательное влияние на выходные характеристики покрытия, в то же время основные ОН сжатия – положительное. Однако сжимающие напряжения могут приводить к потере устойчивости слоя, в котором они действуют, и, кроме того, в зоне краевого эффекта они приводят к возникновению расслаивающих напряжений. Поэтому значения сжимающих напряжений должны быть ограничены наименьшим значением прочности в системе на растяжение, обычно прочности сцепления покрытия с основой.

! Информация, размещенная на сайте, запрещена к копированию без разрешения правообладателя!


Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.