ДИСЛОКАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ УПРОЧНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Одной из проблем, стоящих перед сельским хозяйством, в настоящее время является низкий уровень качества ремонта сельскохозяйственных машин. Решением данной проблемы должен стать качественный ремонт узлов и агрегатов, предусматрива ющий не только восстановление геометрических форм, но и упрочнение деталей.
В числе способов восстановления и упрочнения деталей – наращивание гальванического слоя металла. Однако при всех преимуществах гальванических покрытий они имеют недостатки, такие как низкая твердость и износостойкость. Для устранения этих недостатков в последние годы успешно развивается технология нанесения композиционных гальванических покрытий (КГП). Особенность технологии получения КГП заключается в том [1], что вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются наноразмерные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т. д. Включение наноразмерных материалов в металлическую матрицу приводит к изменению физико-механических свойств таких покрытий.
Для объяснения механизма упрочнения гальванических покрытий включением твердых частиц основной теоретической базой является теория дислокаций и препятствий [2].
Изучение структуры гальванического покрытия субмикроскопическими методами выявило, что кристаллы покрытия составлены из многочисленных блоков [3]. Блоки имеют линейные размеры порядка 10–4 см (около 10 000 атомных расстояний). В пределах каждого блока кристаллическая решетка имеет правильное строение и может содержать только точечные дефекты или вакансии. Границы зерен содержат большее количество несовершенств кристаллического строения – вакансии и дислокации [3]. Скользящее движение дислокации объясняется тем, что атомы решетки смещены из центров равновесия, и они стремятся занять положение, соответствующее совершенной решетке: атомы, расположенные впереди дислокации, стремятся вернуться в исходное положение, и потому они препятствуют продвижению дислокации. Атомы же сдвинутой части кристалла, то есть находящиеся позади дислокации, стремясь занять положение, соответствующее сдвигу на целый период решетки, будут способствовать продвижению дислокации. Если же воздействия атомов, расположенных впереди и позади дислокации, приблизительно равны, то дислокация может перемещаться при минимальном напряжении от внешних сил.
Движение винтовой дислокации более сложно, чем краевой, но и в этом случае силы взаимодействия атомов в искаженной зоне в значительной степени уравновешиваются, а смещение атомов очень мало. Поэтому критическое напряжение сдвига винтовой дислокации также сравнительно невелико.
При перемещении дислокации через решетку в каждый момент этого движения нарушаются связи лишь ограниченного количества атомов, расположенных непосредственно в местах нахождения дислокаций. Следовательно, прочность металлов может быть повышена одним из двух путей: либо устранением дислокации, либо повышением сопротивления их движению [3].
Первый путь означает, что при отсутствии дислокаций для смещения частей кристалла относительно друг друга пришлось бы нарушить одновременно связь всех атомов, расположенных вдоль деформации, то есть приложить усилие, превышающее прочность межатомных связей в сотни или даже тысячи раз. Однако если растущие при кристаллизации кристаллы (зерна) повернуты друг относительно друга на небольшой угол, то при сращивании этих кристаллов на границе их раздела неизбежно образуются дислокации. Поэтому решение этой задачи на уровне развития современной науки невозможно.
Второй путь упрочнения реализуется введением в гальванические покрытия специальных примесей – наноразмерных частиц.
Включение в осадок наноразмерных частиц нарушает упорядочение роста его кристаллов, а при зарастании включений имеется вероятность образования дополнительных винтовых дислокаций [2].
При встрече с частицами скользящие дислокации будут огибать препятствия и оставлять на них замкнутые петли [4]. Если между частицами пройдут и другие дислокации, то они оставят вокруг частицы новые петли большего размера. Прохождение последующих дислокаций между частицами в большей степени будет затруднено, таким образом, повысится плотность дислокаций и произойдет упрочнение композиции. Частицы играют в покрытии роль барьеров, препятствующих выходу дислокаций на поверхность осадка и убыли плотности дислокации.
Около каждой частицы образуется поле определенного напряженного состояния материала матрицы. Вследствие этого на поверхности осадка возникают зоны, характеризующиеся различной способностью к обратимой микропластической деформации, а при износе поверхностных слоев обнажаются все новые слои максимальной микротвердости [2]. При равномерном распределении частиц в покрытии образуется свое образный регулярный микрорельеф по всей его толщине.
Если на пути распространения дислокаций будет находиться частица, включившаяся в покрытие, она прервет первоначальное их распространение, воспримет на себя усилие сдвига и явится барьером для смещения микрослоев. При этом усилие сдвига передастся на массу металла, окружающего частицу со стороны, противоположной приложенному усилию, и вызовет сдвиговую макроскопическую деформацию на данном участке.
Из вышеизложенного следует, что для определения степени упрочнения КГП первоочередным является установление характера распределения частиц в покрытии.
Литература
- Сафонов В. В., Шишурин, С. А., Горбушин П. А. Модификация гальванохимических покрытий на основе хрома, никеля и железа нанодисперсными частицами // Актуальные проблемы научно- технического прогресса в АПК : XI Междунар. науч.-практ. конференция, посвящ. 65-летию факультета механизации сельского хозяйства, в рамках XVII Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2015». Саратов, 2015. – С. 341–344.
- Сафонов В. В., Годунов Н. Б., Шишурин С. А., Семочкин В. С. Восстановление и упрочнение деталей сельскохозяйственной техники с применением новых материалов. // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2012.– № 8. – С. 36–40.
- Поляк М. С. Технология упрочнения. – М. : Л.В.М. – СКРИПТ : Машиностроение, 1995. – 668 с.
- Бородин И. Н. Порошковая гальванотехника. – М. : Машиностроение, 1990. – 218 с.
Метки: Транспорт