Ионно–плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов с регулируемой стехиометрией (стр. 25 )

В [49] проведены исследования диаграмм царапанья, выявлены характерные точки диаграмм, рассмотрено влияние формы индентора, шероховатости поверхности образца, смазки и степени наклепа материала на вид диаграмм. Исследования проводились на разработанном автоматизированном склерометре МЭИ–С2А при постоянной величине заглубления индентора [138].

Результаты исследований на стали 45 показали, что оптимальному уровню шероховатости поверхности образца отвечает значение Ra не более 0,63 мкм при глубине внедрения индентора 10 и 5 мкм. В [49] также было изучено влияние формы царапающего наконечника на стабильность ширины царапины. Были использованы следующие наконечники: роквелловский конус с углом раствора 120, конус – 45 и пирамида Виккерса. В результате установлено, что наиболее стабильные царапины получаются при царапании роквелловским конусом с углом раствора 120 (с радиусом скругления при вершине 0.2 мм) и пирамидой Виккерса. Эти наконечники использовались в дальнейших экспериментах. В то же время автор отмечает, что предпочтение следует отдать пирамиде, так как при царапаньи ребром пирамиды обеспечивается гарантированное разрушение волокон переднего наплыва по всей его высоте.

Далее проведено исследование влияния смазки на стабильность диаграмм деформирования стали 45. В качестве смазочных сред применялись растительное и машинное масла, а также вольфрамо–графитовая смазка. В результате исследований было установлено, что использование смазки позволяет получить более стабильные диаграммы по сравнению с диаграммами, полученными без использования смазки. Наиболее стабильные диаграммы получились при использовании машинного масла. Применение смазки дает более ярко выраженный спад в области максимума по усилию царапанья на диаграмме деформирования. Это обусловлено тем, что смазка препятствует процессу наростообразования в зоне царапанья.

В процессе изучения влияния наклепа на вид диаграмм царапанья автором [49] было установлено, что величина максимального усилия царапанья Pцмах практически не зависит от степени предварительного наклепа, а критическая длина царапины , соответствующая началу спада нагрузки, уменьшается. Независимость от степени наклепа связано с тем, что несмотря на увеличение предела прочности испытуемого материала при увеличении степени наклепа, его запас пластичности уменьшается, а значит, уровень сопротивления материала разрушению также достигает предельного значения, характеризуемого. Уменьшение с ростом степени предварительного наклепа связано с уменьшением запаса пластичности материала, израсходованного при наклепе. Процесс деформирования материала по предлагаемому методу испытания проходит следующие основные стадии. Предварительный наклеп при вертикальном внедрении индентора на заданную глубину. При последующем горизонтальном перемещении индентора наклепанный материал снова деформируется боковой поверхностью индентора, впереди него постепенно нарастает наплыв, который достигает предельной высоты при достижении максимального усилия царапанья Pцмах (см. рис. 4.5). В этот момент происходит локальное разрушение металла в вершине наплыва, в результате чего снижается усилие царапанья, которое может проявляться на диаграмме плавно или в виде небольшого срыва в зависимости от свойств поверхностного слоя материала. При дальнейшем перемещении индентора усилие царапанья снова несколько возрастает, затем стабилизируется. По полученным диаграммам царапанья можно количественно оценить некоторые показатели механических свойств материала, характеризующие его способность сопротивляться разрушению, при этом не требуется измерения геометрических параметров царапины. С этой целью с позиций синергетики в [49] были рассмотрены некоторые точки неустойчивости упругой и упругопластической деформации при растяже­нии, вдавливании и царапаньи. Параметры, соответствующие этим точкам, контролируют переход деформируемого твердого тела от упругой деформации к упругопластической, равномерной деформации – к сосредоточенной, предразрушения – к окончательному разрушению. Наличие указанных точек на диаграммах деформирования при различных видах нагружения позволяет более обоснованно выявить связь между различными механическими характеристиками и предложить наиболее простые способы их определения. Примером такой характерной точки является точка на диаграмме царапанья с координатами и , после достижения которой происходит локальное разрушение предельно деформируемого металла в вершине наплыва.

Важная характеристика при царапаньи НG – твердость. Под твердостью понимается отношение максимального усилия царапанья к половине боковой поверхности индентора, предварительно внедренного на заданную глубину: HG = Pцбок/0,5Fбок . Ее физический смысл заключается в том, что она характеризует сопротивление локальному разрушению поверхностного слоя материала при указанных условиях испытания. В качестве индентора в работе использовалась пирамида Виккерса (HGVt) с углом между гранями 136. Скорость перемещения индентора равна 2.1 мм/мин.

В общем виде твердость, определенная методом царапанья, обозначается и определяется следующим образом (индексы сф и п в формулах 4.1 обозначают соответственно сферическую поверхность и поверхность пирамиды):

; (4.1, а)

или ; , (4.1, б)

где b – ширина царапины (линия BD на рис. 4.30), D – диаметр сферической части конуса Роквелла, равный 0.4 мм, t – глубина внедрения индентора (линия АК на рис.4.30). С учетом того, что ширина канавки b связана с глубиной t следующим геометрическим соотношением

и подставив его в (4.1,б), получим выражение для HGVt.

В частном случае, если угол α =136° (угол GAH на рис. 4.30), имеем:

или окончательно

Размерность величин HGB и HGV совпадает с размерностью напряжений и может быть выражена в Н/мм2 (МПа) или кг/мм2.

В [49] между истинным сопротивлением разрыву при растяжении SK и склерометрической твердостью HGV5 была установлена устойчивая корреляция (рис. 4.31): SK = 0,0337 HGV5 – 829,04. Автором [49] показано, что чем больше пластичность у рассматриваемого материала, тем больше критическая длина царапины . Это связано с тем, что и при растяжении, и при царапаньи в момент разрушения происходит исчерпание запаса пластичности материала. Сопоставление величины относительной критической длины царапины, представляющей собой отношение к глубине внедрения индентора t, с конечным относительным сужением ψк для исследуемых материалов позволило выявить следующую закономерность: ψк = 0,0076(L цмах/t)0,881 (рис.4.5).

Другой важной механической характеристикой поверхностного слоя материала является удельная энергия локального разрушения ω, которую определяют по следующей формуле: ω = W/V, где W – абсолютная энергия разрушения [H×м (Дж)], которую можно оценить количественно по площади, ограниченной диаграммой царапанья (см. рис.4.45); – объем материала, вытесненный при царапаньи, равный произведению площади поперечного сечения царапины FАВD (F= 0,5bt) на длину царапины (см. рис. 4.28).

Как следует из литературного обзора, важнейшими критериями адгезионной прочности материала покрытия при её оценке склерометрическим методом являются максимальное усилие царапанья , истинное сопротивление разрыву SK и удельная энергия локального разрушения ω. В данном параграфе представлены результаты исследования механических свойств и адгезионной прочности ионно–плазменных покрытий на основе ниобия, циркония, нитрида циркония, титана и его сплавов (Ti– 5,6V– 1Al, Ti–15Co–6,6 Cr), сформированных на хромазотистой нержавеющей стали Х24А1.

В качестве материала катода при формировании покрытий использовались ниобий (99%Nb, 0,9%Fe, по 0,05% Co, Cr и Ti), цирконий (иодидный, кованный и отожженный), чистый титан ВТ1–00 и его сплав ВТ–6 (Crade 5 ASTM) и комохром CoMoCr (виталлиум, ASTM F–799–96, UNSR31537). Составной катод содержит (с учетом соотношения площадей поверхности) 70% ВТ–6 и 30% CoMoCr.

Химический состав материала катодов и покрытий на основе титана, по данным микрорентгеноспектрального анализа, представлен в табл. 4.22–4.25.

Таблица 4.22