Лабораторный практикум по дисциплине образовательной программы опережающей профессиональной переподготовки в области создания серийного производства электрохимических станков для прецизионного изготовления деталей из наноструктурированных материалов и нанометрического структурирования поверхности (стр. 3 )

При выполнении задания 5 изучите общий вид медной заготовки, подвергнутой 1-му проходу РКУП с вставленными в нее алюминиевыми штифтами (рис. 1.8).

Для оценки степени сдвиговой деформации, накопленной в заготовке, следует определить угол наклона f прямолинейной части штифтов по отношению к продольной оси заготовки. Для определения угла необходимо, замерить катеты прямоугольного треугольника, у которого ось штифта является гипотенузой, рассчитать тангенс угла как отношение вертикального катета к горизонтальному, а затем найти соответствующий угол.

Степень деформации можно определить, используя уравнение

. (1.1)

Для заключения об однородности течения заготовки при РКУП следует с помощью линейки замерить общую длину штифтов и длину их прямолинейной части. Затем соотнести между собой измеренные величины, сделав вывод об однородности течения материала деформирвоаемой заготовки. При этом следует обратить внимание на искажение штифтов в верхней и нижней частях заготовки, отражающее неоднородность течения материалах заготовки в указанных областях.

а

б

Рис. 1.8. Схема заделки штифтов в исходной Cu заготовке (а) и их форма в продольном вертикальном сечении ИПД заготовки, подвергнутой 1-ому проходу РКУ прессования (б)

Рис. 1.9. Сетка на продольном вертикальном сечении заготовки из Ti после 1-ого прохода РКУП

При выполнении задания 5 изучите общий вид вертикального продольного разреза титановой заготовки, подвергнутой 1-му проходу РКУП с нанесенной на нее первоначально квадратной сеткой (рис. 1.9).

Оценку степени сдвиговой деформации, накопленной в заготовке, следует произвести аналогично тому, как это делалось в задании 5. При этом необходимо в качестве гипотенузы треугольника использовать наклонную сторону сетки.

Для заключения об однородности течения заготовки при РКУП следует с помощью линейки замерить длины прямолинейной наклонной стороны сетки и отнести ее к общей длине наклонной стороны сетки. Затем необходимо сделать вывод об однородности течения материала деформированной заготовки. При этом следует обратить внимание на искажение сетки в ее верхней и нижней частях, отражающее неоднородность течения материалах заготовки в указанных областях заготовки.

6. Контрольные вопросы

1.  Каково назначение установки для РКУП?

2.  Что понимается под термином «маршрут РКУП»?

3.  Как изменяются форма и размеры заготовок в процессе РКУП?

4.  Каково назначение противодавления при реализации РКУП?

5.  Перечислите достинства и недостатки РКУП-ПК.

6.  Опишите принцип работы установки для РКУП-К.

7. Требования к содержанию и оформлению отчета

Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в электронном виде в любом текстовом редакторе и иметь следующую структуру.

1.  Титульный лист с названием и номером лабораторной работы, фамилией студента и проверяющего преподавателя.

2.  Цель работы с краткой формулировкой ожидаемого результата.

3.  Постановку задачи.

4.  Описание устройства, принципов работы установок для РКУП, РКУП с противодавлением, РКУП-ПК, РКУП-К, а также основных достоинств и недостатков данных методов ИПД.

5.  Схематические изображения сечений материалов, подвергнутых РКУП с заделанными штифтами или нанесенной сеткой, а также полученные результаты измерений и вычислений.

6.  Анализ полученных в ходе работы результатов, который предполагает их объяснение с помощью теоретических выкладок.

7.  Выводы по работе.

Лабораторная работа № 2

Исследование влияния режимов ионной

модификации на остаточные напряжения

наноструктурированных покрытий

1. Цель работы

Целью работы является освоение экспериментального метода исследования остаточных напряжений в вакуумных ионно-плазменных покрытиях в зависимости от режимов обработки.

2. Теоретическая часть

Остаточными напряжениями называются такие внутренние напряжения, которые сохраняются в детали после окончания процесса обработки при отсутствии внешней нагрузки.

Остаточные напряжения, возникающие в покрытиях, оказывают значительное влияние на все основные эксплуатационные свойства обработанных деталей. Они могут быть причиной появления трещин и отслоения, влияют на адгезию, статическую и многоцикловую прочность, износостойкость, термостойкость и т. д. В связи с этим оценка остаточных напряжений имеет большое значение в разработке технологических процессов нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий.

При изготовлении, обработке и эксплуатации тонких пленок возникают макронапряжения, уравновешиваемые взаимодействием с подложкой. Напряжения могут быть сжимающими и растягивающими. Макронапряжения в пленках состоят из обратимой части термического происхождения, обусловленной разным тепловым расширением конденсата (покрытия) и подложки и необратимой, вызываемой макродеформациями при образовании и аннигиляции структурных дефектов.

Термические напряжения в тонкой пленке, осажденной на подложку, могут возникать вследствие различия коэффициентов термического расширения и подложки, когда температура подложки при нанесении пленки и при измерении напряжений неодинакова. Результирующее напряжение может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры подложки во время нанесения и измерения, от материалов подложек и пленок. В процессе формирования покрытия на подложке и при последующей термообработке протекают процессы залечивания несовершенств, сопровождающихся изменением удельного объема. В итоге в пленке возникают напряжения. Такие напряжения можно назвать структурными, с понижением температуры подложки вклад этого механизма становится больше.

Так, например, в покрытиях TiN остаточные напряжения в 2-3 раза превышают ожидаемые термические напряжения, т. е. напряжения роста преобладают над термическими напряжениями, что объясняется ионной бомбардировкой.

В реальных условиях рассмотренные механизмы образования внутренних макронапряжений могут действовать совместно, порождая в зависимости от физико-химических условий осаждения пленок, либо усиление одноименных напряжений, либо нейтрализацию разноименных. Тот или иной механизм превалирует над другими в определенном интервале температур подложки. При снижении температуры подложки возрастает вклад структурных напряжений, а при ее повышении увеличивается вклад термических напряжений.

Напряжения в пленках не удается обнаружить, пока их толщина не достигнет нескольких десятков нм, поскольку до этого пленки, как правило, состоят из отдельных островков. С ростом толщины от 100 до 200 нм напряжение сначала резко возрастает, а потом стабилизируется. Напряжение в пленке достигает максимума, когда последние дыры на стадии островков окажутся заполненными. Среднее напряжение сравнительно слабо зависит от толщины пленки. Можно предположить, что в пленках толщиной несколько более 100 нм значительный вклад в определяемые средние напряжения вносит тонкий слой, превосходящий 100 нм.

Пленки, конденсированные при невысоких температурах подложки, начинают растрескиваться под действием внутренних напряжений при утолщении. Такой эффект обусловлен между силами адгезии пленки и подложки и растягивающими усилиями от внутренних напряжений в конденсате. Работа отрыва на единичную площадь контакта не зависит от толщины пленки, а растягивающие усилия в пленке при неизменном напряжении возрастают пропорционально ее толщине. Начиная с некоторой критической толщины, эти растягивающие усилия преодолевают силы адгезии.

При изменении температуры подложки в широком интервале меняется не только величина, но и знак напряжения. Возникновение сжимающих напряжений при высоких температурах объясняют окислением пленок в процессе конденсации. Механические свойства конденсированных пленок в сильной степени зависят от скорости охлаждения. Постепенное охлаждение замедляет деформирование пленки; быстрое - способствует ускорению деформирования и разрушению пленки.

При увеличении толщины покрытий от 10 до 50 мкм остаточные напряжения снижаются с -1200 МПа до -700 МПа. Нанесение подслоя чистого титана толщиной 0,2 и 0,5 суммарной толщины покрытий снижает величину остаточных напряжений соответственно в 2 и 3 раза. Снижение остаточных напряжений объясняется тем, что в чистом титане с высокой пластичностью релаксируют остаточные напряжения покрытия из нитрида титана.

Таким образом, можно отметить, что на конструкционных сталях покрытия на основе нитридов и карбидов металлов являются сжимающими. Величина остаточных напряжений уменьшается при увеличении температуры и уменьшении давления газов. Основной вклад в остаточные напряжения вносят тонкие приповерхностные слои (толщиной до нескольких микрон), дальнейшее увеличение толщины покрытий на основе нитридов металлов, вплоть до 40-50 мкм практически не изменяют величины остаточных напряжений. Основной причиной появления остаточных напряжений сжатия в ионно-плазменных покрытиях на основе карбидов и нитридов металлов являются дефекты кристаллической структуры (избыточные вакансии, замещение или внедрение атомов примесей и газов, наличие большого числа дислокаций, микропор и т. д.).

Остаточные напряжения в покрытиях, получаемых различными способами, определяются следующими факторами:

·  различием температурных коэффициентов линейного расширения материалов покрытия и основы, при этом температура в процессе формирования покрытия отличается от температуры его эксплуатации;

·  наличием захваченных атомов газов и его неполным структурным упорядочением, происходящим в покрытии при его формировании;

·  «замораживанием» дефектов решетки при конденсации;

·  образование на поверхности раздела промежуточных фаз, обусловленных взаимной диффузией материала покрытия и основы при высоких температурах, и имеющих удельный объем, отличающийся от удельных объемов материала и основы.