Расчетно-аналитическое прогнозирование износа покрытий при трибологических испытаниях на основе моделей контактно-усталостного разрушения

В работе рассмотрены условия трибологических испытаний стальных образцов с нитридными ионно-плазменными покрытиями. Предложена расчётно-аналитическая модель для количественной оценки параметров контакта и изнашивания при испытаниях на трение скольжения: размера контактной площадки, глубины контактного сближения, глубины пластической зоны, напряжений в покрытии, предела усталости, критической толщины покрытия, исключающей его прогиб. Показано, что покрытия, с толщиной выше критической, реализуют свой потенциал физико-механических и трибологических свойств независимо от подложки. При недостаточной толщине покрытия результат трибологических испытаний определяется поведением системы «покрытие—подложка» — высокотвёрдое нитридное покрытие на пластичной стальной подложке испытывает прогиб и преждевременное хрупкое разрушение. Для оценки износа покрытий в этом случае рекомендовано использование моделей усталостного разрушения с построением кривой усталости Велера и определением предела усталости на основе теории Муроками-Эндо. Реализация рекомендованного подхода выполнена для исследованных нитридных покрытий с использованием базы собственных экспериментальных данных.

1. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смаз-ка, износ. Физические основы и инженерные приложения трибологии. — М.: Физматлит. — 2007

2. Кудряков О.В., Колесников В.И., Манту-ров Д.С., Колесников И.В., Варавка В.Н. Ин-женерные соотношения для расчетно-аналити-ческого прогнозирования износа покрытий при трибологических испытаниях // Трение и из-нос. — 2024 (45), № 2, 171—182. DOI: 10.32864/0202-4977-2024-45-2-171-182

3. Kolesnikov V.I., Novikov E.S., Kudryakov O.V., and Varavka V.N. The Degradation Mechanisms in Ion-Plasma Nanostructured Coatings under the Conditions of Contact Cyclic Loads // Journal of Physics: Conference Series. — 2019 (1281), 012036. DOI: 10.1088/1742-6596/1281/1/012036

4. Kudryakov O.V., Varavka V.N., Zabiyaka I.Yu., Sidashov A.V., and Novikov E.S. Synthesis, Elec-tronic Structure, Microstructure, and Properties of Vacuum Ion-Plasma Coatings Based on Carbon // Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. Springer Proceedings in Materials. — 2021 (10), 197—206. DOI: 10.1007/978-3-030-76481-4_17

5. Колесников В.И., Кудряков О.В., Варав-ка В.Н., Сидашов А.В., Колесников И.В., Ман-туров Д.С., Воропаев А.И. Особенности струк-турно-фазового состояния и свойства вакуум-ных ионно-плазменных покрытий системы Cr-Al-Si-N // Физическая мезомеханика. — 2022 (25), № 6, 26—38. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_6_26

6. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. — М.: Изд-во ЛКИ. — 2007

7. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследования материа-лов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. — М.: Мир. — 2004

8. Головин Ю.И. Наноиндентирование и механи-ческие свойства твердых тел в субмикрообъе-мах, тонких приповерхностных слоях и пленках // Физика твердого тела. — 2008 (50), № 12, 2113—2142

9. Наноструктурные покрытия / под ред. А. Ка-валейро, Д. Де Хоссона. — М.: Техносфера. — 2011

10. Ботвина Л.Р. Разрушение: кинетика, механиз-мы, общие закономерности. — М.: Наука. —2008

11. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные матери-алы. Полный курс. Учебное пособие. – пер. с англ. — Долгопрудный: Интеллект. — 2010

12. Murakami Y. and Endo M. Quantitative Evalua-tion of Fatigue Strength of Metals Containing Vari-ous Small Defects or Cracks // Engineering Fracture Mechanics. — 1983, no. 17, 1—15

13. Murakami Y. and Endo M. Effects of Defects, In-clusions and Inhomogeneities on Fatigue Strength // International Journal of Fatigue. — 1994, no. 16, 163—182

14. Murakami Y. Metal Fatigue: The Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. — Oxford, UK: Elsevier. — 2002

15. Åman M., Tanaka Y., Murakami Y., Remes H., and Marquis G. Fatigue Strength Evaluation of Small Defect at Stress Concentration // Procedia Structural Integrity. — 2017, no. 7, 351—358. DOI: 10.1016/j.prostr.2017.11.099

16. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. — М.: МИСИС. — 1998