Випуски МФіНТ »  Том 48, випуск 9

Про вплив залишкових напружень на міцність оксидованих платівок за умов термомеханічного навантаження

І. П. Шацький$^{1}$, В. М. Петращук$^{1}$, Л. Я. Роп'як$^{2}$, О. О. Лазарєва$^{3}$

$^{1}$Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України, вул. Наукова, 3-б, 79060 Львів, Україна
$^{2}$Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, 76019 Івано-Франківськ, Україна
$^{3}$Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64, 69063 Запоріжжя, Україна

Отримано: 20.05.2026; остаточний варіант - 27.05.2026. Завантажити: PDF

У статті розроблено методику дослідження напружено-деформованого стану й оцінювання утримувальної здатности металевих платівок, зміцнених плазмовим електролітичним оксидуванням поверхневого шару. Об'єктом аналізи є платівка симетричної будови з двостороннім оксидним покриттям, яка зазнає двовісного розтягувального навантаження за умов рівномірного нагрівання та наявности самозрівноважного поля залишкових напружень. У рамках гіпотези стосовно пласких перерізів і пружнього деформування одержано замкнуті аналітичні залежності для залишкових напружень у підкладинці й оксидних шарах через несумісну деформацію поверхневих шарів, а також для повного напруженого стану за комбінованого термомеханічного навантаження. Сформульовано та проаналізовано два критерії міцности: глобальний (інтеґральний) критерій, нечутливий до самозрівноважних залишкових і теплових компонент, та локальний критерій, який зводиться до системи лінійних нерівностей щодо допустимого навантаження та температури за заданого рівня залишкових напружень. Можливості методики проілюстровано на прикладах композицій Al/Al2O3 (стоп 6061-T6/оксид Алюмінію) та Ti/TiO2 (титан ґатунку 2/діоксид Титану) з урахуванням коефіцієнта Піллінґа–Бедворта та ріжниці коефіцієнтів лінійного теплового розширення металу та його оксиду. Показано, що за відсутности температурного впливу та залишкових напружень несна здатність оксидованої платівки за розтягу приблизно втричі менша порівняно з неоксидованою через високу концентрацію напружень у тонкому цупкому покритті. Визначено співвідношення рівнів залишкових напружень і температур, за яких оксидована платівка працює як рівноміцна конструкція з максимальною утримувальною здатністю; одержано явні аналітичні залежності для обох систем — Al/Al2O3 й Ti/TiO2.

Ключові слова: плазмове електролітичне оксидування, оксидована платівка, залишкові напруження, термомеханічне навантаження, міцність.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v48/i09/0949.html

PACS: 46.25.-y, 46.50.+a, 46.70.De, 62.20.mj, 68.60.Bs, 81.40.Jj, 81.65.Mq

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. O. Kozak, A. Velychkovych, and A. Andrusyak, Eng., 6, Iss. 10: 269 (2025).
  2. E. I. Kryzhanivs'kyi, V. P. Rudko, and I. P. Shats'kyi, Mater. Sci., 40: 547 (2004).
  3. L. Jeremić, B. Đorđević, S. Sedmak, A. Sedmak, M. Rakin, and M. Aranđelović, Struct. Integr. Life, 18, No. 2: 99 (2018).
  4. V. V. Kukhar, E. S. Klimov, and S. M. Chernenko, Solid State Phenomena, 316: 873 (2021).
  5. V. B. Tarelnyk, O. P. Gaponova, O. M. Myslyvchenko, and B. O. Sarzhanov, Powder Metall. Met. Ceram., 59: 76 (2020).
  6. P. Prysyazhnyuk, M. Bembenek, I. Drach, A. Korzhov, L. Romanyshyn, and L. Ropyak, Management Systems Production Eng., 32, Iss. 2: 294 (2024).
  7. A. L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, and S. J. Dowey, Surf. Coat. Technol., 122, Iss. 2–3: 73 (1999).
  8. M. M. Student, I. B. Ivasenko, V. M. Posuvailo, H. H. Veselivs'ka, A. Y. Pokhmurs'kyi, Y. Y. Sirak, and V. M. Yus'kiv, Mater. Sci., 54: 899 (2019).
  9. F. Simchen, M. Sieber, A. Kopp, and T. Lampke, Coatings, 10, Iss. 7: 628 (2020).
  10. L. Ropyak, T. Shihab, A. Velychkovych, V. Bilinskyi, V. Malinin, and M. Romaniv, Ceramics, 6, Iss. 1: 146 (2023).
  11. L. Ropyak, T. Shihab, A. Velychkovych, O. Dubei, T. Tutko, and V. Bilinskyi, Progress in Physics of Metals, 24, No. 2: 319 (2023).
  12. V. Korzhyk, V. Kopei, P. Stukhliak, O. Berdnikova, O. Kushnarova, O. Kolisnichenko, O. Totosko, D. Stukhliak, and L. Ropyak, Materials, 18, Iss. 15: 3620 (2025).
  13. M. M. Kundrat, Int. Applied Mechanics, 33: 394 (1997).
  14. Y. Y. Hu and W. M. Huang, J. Appl. Phys., 96: 4154 (2004).
  15. O. S. Anishchenko, V. V. Kukhar, A. V. Grushko, I. V. Vishtak, A. H. Prysiazhnyi, and E. Y. Balalayeva, Mater. Sci. Forum, 945: 531 (2019).
  16. V. B. Kopei, O. R. Onysko, V. G. Panchuk, Z. M. Odosii, and Y. M. Kusyi, J. Phys.: Conf. Ser., 2540: 012033 (2023).
  17. A. A. Bedzir, I. P. Shatskii, and V. M. Shopa, Int. Applied Mechanics, 31: 351 (1995).
  18. I. P. Shats'kyi, O. M. Lyskanych, and V. A. Kornuta, Strength Mater., 48: 469 (2016).
  19. I. Shatskyi, I. Popadyuk, and A. Velychkovych, Dynamical Systems in Applications (Ed. J. Awrejcewicz) (Łódź–Cham: Springer: 2018), p. 343.
  20. I. Shatskyi and V. Perepichka, Dynamical Systems in Applications (Ed. J. Awrejcewicz) (Łódź–Cham: Springer: 2018), p. 335.
  21. R. V. Bondarenko, I. P. Shatskyi, Ya. V. Doroshenko, and A. S. Velychkovych, J. Achiev. Mater. Manuf. Eng., 132, Nos. 1–2: 13 (2025).
  22. J. Dean, T. Gu, and T. W. Clyne, Surf. Coat. Technol., 269: 47 (2015).
  23. D. Shen, J. Cai, C. Guo, G. Li, D. He, and Q. Yang, Chin. J. Mech. Eng., 26: 1149 (2013).
  24. R. H. U. Khan, A. L. Yerokhin, T. Pilkington, A. Leyland, and A. Matthews, Surf. Coat. Technol., 200, Iss. 5–6: 1580 (2005).
  25. M. Aliofkhazraei, D. D. Macdonald, E. Matykina, E. V. Parfenov, V. S. Egorkin, J. A. Curran, S. C. Troughton, S. L. Sinebryukhov, S. V. Gnedenkov, T. Lampke, F. Simchen, and H. F. Nabavi, Appl. Surf. Sci. Adv., 5: 100121 (2021).
  26. J. A. Curran and T. W. Clyne, Surf. Coat. Technol., 199, Iss. 2–3: 168 (2005).
  27. D. Wojtas, M. Marciszko-Wiąckowska, and Ł. Maj, Prog. Surf. Sci., 100, Iss. 3: 100780 (2025).
  28. J. Zhang, W. Dai, X. Wang, Y. Wang, H. Yue, Q. Li, X. Yang, and C. Guo, J. Mater. Res. Technol., 25: 4554 (2023).
  29. A. Maytorena-Sánchez, J. Hernández-Torres, F. López-Huerta, M. A. Hernández-Campos, L. Zamora-Peredo, M. Pacio-Castillo, L. E. Serrano-De la Rosa, and L. García-González, Mater. Lett., 282: 128679 (2021).
  30. C. H. Hsueh, Thin Solid Films, 418, Iss. 2: 182 (2002).
  31. C. H. Hsueh, J. Appl. Phys., 91, Iss. 12: 9652 (2002).
  32. C. H. Hsueh and A. G. Evans, J. Am. Ceram. Soc., 68, Iss. 5: 241 (1985).
  33. G. C. A. M. Janssen, M. M. Abdalla, F. van Keulen, B. R. Pul, and J. G. C. de Ree, Thin Solid Films, 517, Iss. 6: 1858 (2009).
  34. L. B. Freund and S. Suresh, Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution (Cambridge: Cambridge University Press: 2003).
  35. Y. C. Tsui and T. W. Clyne, Thin Solid Films, 306, Iss. 1: 23 (1997).
  36. N. Dolgov, L. Vinogradov, I. Blumbergs, and R. Chatys, Fatigue and Fracture of Materials and Structures (Eds. G. Lesiuk, S. Duda, J. A. F. O. Correia, and A. M. P. De Jesus) (Cham: Springer: 2022), p. 9.
  37. R. Kulchytsky-Zhyhailo, S. J. Matysiak, and A. S. Bajkowski, J. Therm. Stresses, 41, Iss. 9: 1169 (2018).
  38. V. A. Shevchuk, J. Math. Sci., 278: 780 (2024).
  39. B. M. Kalynyak and V. A. Shevchuk, Mater. Sci., 61: 110 (2025).
  40. S. A. G. Oliveira and A. F. Bower, Wear, 198, Iss. 1–2: 15 (1996).
  41. I. Shatskyi, M. Makoviichuk, L. Ropyak, and A. Velychkovych, Ceramics, 6, Iss. 3: 1879 (2023).
  42. I. Shatskyi, M. Makoviichuk, and L. Ropyak, Proc. Struct. Integr., 59: 407 (2024).
  43. L. Ropyak, I. Shatskyi, M. Makoviichuk, and I. Lazariev, Proc. Struct. Integr., 72: 20 (2025).
  44. I. Shatskyi, M. Makoviichuk, I. Lazariev, and L. Ropyak, Struct. Integr. Life, 25, No. 3: 399 (2025).
  45. J. W. Hutchinson and Z. Suo, Adv. Appl. Mech., 29: 63 (1992).
  46. Z. C. Xia and J. W. Hutchinson, J. Mech. Phys. Solids, 48, Iss. 6–7: 1107 (2000).
  47. H. H. Yu and J. W. Hutchinson, Int. J. Fracture, 113: 39 (2002).
  48. A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier, and F. S. Pettit, Prog. Mater. Sci., 46, Iss. 5: 505 (2001).
  49. I. P. Shatskyi, M. V. Makoviichuk, and A. B. Shcherbii, Mater. Sci., 55: 484 (2020).
  50. I. Shatskyi and V. Petrashchuk, Proc. Struct. Integr., 81: 129 (2026).
  51. I. Shatskyi, M. Makoviichuk, R. Bondarenko, and Ya. Doroshenko, Proc. Struct. Integr., 81: 240 (2026).
  52. M. D. Thouless, J. Vac. Sci. Technol. A, 9, Iss. 4: 2510 (1991).
  53. I. P. Shatskii, Sov. Mater. Sci., 25: 160 (1989).
  54. I. P. Shats'kyi and V. V. Perepichka, Mater. Sci., 40: 240 (2004).
  55. I. P. Shats'kyi and M. V. Makoviichuk, Mater. Sci., 41: 486 (2005).
  56. N. B. Pilling and R. E. Bedworth, J. Inst. Met., 29: 529 (1923).
  57. C. Xu and W. Gao, Mater. Res. Innov., 3: 231 (2000).
  58. M. Shokouhfar, C. Dehghanian, and A. Baradaran, Appl. Surf. Sci., 257, Iss. 7: 2617 (2011).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 1979 «Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України»