Исследование поверхностной прочности и трещиностойкости

В последние годы уделяется большое внимание вопросам поверхностной прочности и трещиностойкости абразивных и других высокотвердых материалов, в том числе с использованием метода микровдавливания, обеспечивающего высокую локальность приложения внешнего силового воздействия. Этот метод позволяет также изучать процессы зарождения и развития трещин, приводящих в конечном итоге к хрупкому разрушению материалов.

При микроиндентировании абразивных материалов осуществляются взаимосвязанные процессы упругопластического деформирования материала — образование отпечатка размером d (диагональ отпечатка), и хрупкого разрушения отдельных его микрообъемов — образование в районе этого отпечатка зоны D хрупкой повреждаемости, включающей всевозможные нарушения сплошности (трещины, сколы) (рис. 5.19). Размеры этой зоны определяются хрупкими и прочностными свойствами испытуемого материала, а также условиями испытания (нагрузка Р на индентор, угол вдавливания а, геометрия индентора).

Процесс микроиндентирования высокотвердых и хрупких материалов не может быть достаточно полно описан с помощью общеизвестного закона вдавливания Р = /(</), как это обычно делается для пластических материалов, так как при этом игнорируется хрупкое разрушение материала в районе отпечатка. Поэтому необходимо одновременно исследовать процесс роста трещин с увеличением нагрузки на индентор Р = f (D).

Рис. 5.19. Схема вдавливания пирамидального индентора в испытуемую поверхность высокотвердых материалов (d — диагональ отпечатка; D — длина трещины, а — угол вдавливания) Для установления закона вдавливания при микроиндентировании высокотвердых и хрупких материалов нами проведены испытания в широком диапазоне нагрузок на индентор методом вдавливания квадратных и трехгранных алмазных пирамид в поверхность испытуемого твердого тела, что позволило исследовать объекты весьма малых размеров (менее 0,5 -И мм), в том числе тонкие покрытия и пленки, из материалов практически любой твердости. Исследован широкий круг материалов (абразивы, горные породы, инструментальные твердые сплавы, стекла, керамика и пьезокерамика, полупроводники, ферриты), в том числе и сверхтвердых (алмаз, кубический нитрид бора).

Для всех исследованных материалов установлены основные закономерности их упругопластического деформирования и хрупкого разрушения при микроиндентировании (коэффициент корреляции 0,95).

Процесс упругопластического деформирования при микровдавливании алмазной пирамиды описывается формулой:

где сi_d — размерная прочностная постоянная формулы; n_d — безразмерная постоянная формулы, характеризующая интенсивность упругопластического деформирования материала при микроиндентировании. Постоянная n_d не зависит ни от условий опыта, ни от прочностных свойств индентируемого материала; для всех исследованных материалов она практически одинакова (n_d = 1,8- 2,0).

Процесс хрупкого разрушения четко разделяется на две стадии (рис. 5.20). На 1-ой стадии (Р <) происходит зарождение и медленное подрастание трещины до критического размера D_hp, которое описывается формулой:

где Лф '^кр '^ч> «критическая нагрузка на индентор и критические размеры трещины и отпечатка соответственно, причем = К, 1 < К < 3 .

Безразмерный коэффициент К характеризует степень дефектности материала с точки зрения наличия в нем «врожденных» трещин. При к =, D = d первая стадия вырождается. На Н-ой стадии (Р >

' кр зар

Р_кр) происходит устойчивый рост трещин, который описывается формулой:

где Р-_}ар, d_3ap — критическая нагрузка на индентор и размер отпечатка, соответствующие зарождению трещины для совершенно «бездефектного» материала (К = 1); п_(/- безразмерная постоянная, характеризующая интенсивность трещинообразования с ростом нагрузки на индентор.

Постоянная пр так же, как и nj, не зависит ни от условий опыта, ни от прочностных свойств индеитируемого материала: для всех исследованных материалов пр практически одинакова (пр =1,29 — 1,34):

Рис. 5.20. Зависимость прочностных характеристик материалов от размера концентратора напряжений (диагонали отпечатка): а — зависимость длины трещины от диагонали; б — зависимость микромсхаиических характеристик от диагонали отпечатка.

Результаты проведенных исследований указывают на глубокую связь процессов упругопластического деформирования и хрупкого разрушения при микроиндентировании высокотвердых хрупких материалов.

С учетом вышеизложенного изучены силовые и энергетические условия зарождения, медленного докритического подрастания и последующего устойчивого роста трещин в районе локального концентратора напряжений — отпечатка алмазного наконечника для широкого круга различных материалов. Это дает возможность определять методом микроиндентирования основные характеристики их трещиностойкости: критическую длину трещины и критическое напряжение по Гриффитсу о_ф, удельную работу разрушения G, коэффициент интенсивности напряжения К_1С и изучать закономерности изменения этих характеристик в зависимости от условий испытаний (нагрузка на индентор, размер концентратора напряжений, форма индентора, угол вдавливания).

Установлены следующие силовые и энергетические условия упругопластического деформирования и хрупкого разрушения при микроиндентировании высокотвердых и хрупких материалов.

Микротвердость.

где Е — модуль Юнга; - относительное упругое уменьшение площади отпечатка после снятия нагрузки Р на пирамиду; е — относительная упругая деформация в направлении действия Р; ц/ = 0,1(1 — cos а), где, а — угол вдавливания.

При полном восстановлении отпечатка, то есть для идеально упругого тела vj/ = f = 0,073 (рис. 5.21 и 5.22).

Рис. 5.21. Упругие свойства материалов при микровдавливании (/;₀— глубина внедрения после снятия нагрузки).

Рис. 5.22. Зависимость относительной прочности материалов от относительной деформации их поверхностных слоев.

Поскольку в плоскости индентирования возникают растягивающие напряжения (решение уравнения Герца), которые уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния от линии действия силы Р (решение уравнения Буссииеска), микропрочность с точностью до постоянного коэффициента равна:

При</ = d-а = ац, = //" -d,_v Id,

^ПР^И ‘> = dCT = c,_rt" =a_np, где ст _пр — предел прочности для массивного образца.

При d < d_зар, а = a_1TBX = Н = 1,37 v «Для идеально упругого Тела <* = «™ор = ^Hvx>p = •.

Удельная работа хрупкого разрушения (II стадия):

где А — работа упругопластического деформирования материала при вдавливании пирамиды; 2S — суммарная поверхность трещин; т — обобщенный коэффициент формы поверхности разрушения; d._iap — диагональ отпечатка индентора, при которой происходит раскрытие трещин.

Для идеально упругого тела: И = //_теор; d_3ap = 2 В.

где В — расстояние между атомами; S — свободная поверхностная энергия.

Коэффициент интенсивности напряжения определяется по формуле:

На Ной стадии процесса разрушения G и К_1С прямо пропорциональны размеру d концентратора напряжений, то есть диагонали отпечатка, следовательно, широко используемый в механике и микромеханике материалов коэффициент интенсивности напряжений К _[С может быть корректным только при определении его в условиях устойчивого роста трещин на Н-ой стадии хрупкого разрушения индентируемого материала.

В табл. 5.6 приведены основные полученные характеристики прочности и трещиностойкости ряда абразивных материалов, применяемых в промышленности и научных организациях.

Таблица 5.6.

Поверхностная прочность и трещиностойкостъ абразивных материалов

Проведенные исследования показали, что изученные нами характеристики являются структурно чувствительными к технологическим параметрам получения материалов и коррелируют с их износостойкостью при абразивной обработке в лабораторных и эксплуатационных условиях [61, 56].