CC BY
14
УДК 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОДНОСТОРОННЕГО ТОНКОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН В ИСПЫТАНИЯХ НА ИЗГИБ
Аунг Чжо Тху, А.В. Бабайцев, О.В. Егорова, М.И. Мартиросов, Л.Н. Рабинский
В работе исследовалось влияние одностороннего порошкового полимерного покрытия на эпоксидно-полиэфирной основе на механические свойства пластин, изготовленных из листовой прокатной стали. Рассматривалось влияние покрытия толщиной порядка 100 мкм на механические свойства образцов (пластин) толщиной 0.6, 0.8 и 1мм. Влияние одностороннего покрытия на механические свойства определялось с помощью испытаний на изгиб при комнатной температуре. Проведенные испытания показали, что тонкие покрытия незначительно влияют на механические свойства пластин в испытаниях на изгиб. Исследования были подтверждены численным моделированием в программном комплексе Ansys.
Ключевые слова: 08ПС, стальные пластины, полимерные покрытия, механические свойства, испытания на изгиб, остаточные напряжения.
1. Введение
На сегодняшний день покрытия применяются почти в любой области техники. Основной причиной использования защитных покрытий является защита элементов конструкций от коррозии, для обеспечения электрической изоляции и для декоративных целях и т.д. [1]. Для обеспечения прочности и износостойкости в процессе эксплуатации исследуются механические свойства покрытий нанесенных с использованием различных технологических процессов и материалов [1, 2]. Определение модуля упругости, прочности и других механических свойств покрытий может проводиться методами микро/наноиндентирования [3-7] или при испытаниях образцов с покрытиями на изгиб [6-7] с измерением остаточных деформаций на образцах с односторонним покрытием [8-10], при проведении прямых испытаний тонких пленок-покрытий [9], или путем исследования характера коробления покрытий на податливых подложках и т.д. Ранее были проведены ряд исследований для определения влияния порошкового покрытия на металлические образцы [14-16]. Однако все подобные испытания проводились сугубо на трехслойной структуре, где средний слой была стальная пластинка, а остальные слои нанесенным покрытием.
С учетом данных механических свойств покрытий возможно оценить их прочность и долговечность, учитывая действия внешних нагрузок при условии наличия остаточных напряжений, возникающих вследствие применения термообработки в технологическом процессе нанесения покрытий [10]. Также возможно оценить влияние покрытий на механическое поведение защищаемых тонкостенных конструкций. При проведении
прочностных расчетов крупногабаритных конструкций влиянием покрытий зачастую можно пренебрегать, если толщина стенок изделий значительно превышает толщину покрытий и жесткость покрытий намного ниже жесткости материала конструкции. Однако, очевидно, что если толщина покрытия сопоставима с толщиной элемента конструкции и если покрытия обладают достаточной жесткостью, то их влиянием при определенных вариантах нагружения пренебречь нельзя.
При прочностных расчетов тонкостенных металлических конструкций и их элементов с нанесенными на них защитными покрытиями, структура может иметь вид двух- или трехслойной пластины (в зависимости от того, с одной или с двух сторон нанесено покрытие) с более жестким слоем из металла и значительно более податливыми внешними слоями-покрытиями [10]. На данный момент крайне мало подобных теоретических и экспериментальных работы, в которых проведен анализ макроскопического механического поведения подобного рода учитывающий эффектов влияния остаточных напряжений. Можно отметить большое разнообразие работ в области исследования функционально-градиентных тонкостенных конструкций с покрытиями (см., например, [11, 12] и ссылки в этих работах). Однако, в таких структурах обычно подразумевается, что жесткость поверхностных слоев выше, по сравнению с внутренней областью [11, 12]. В линейных задачах статики, как показывают эксперименты, влиянием тонких покрытий можно пренебрегать. Однако, в более специфических задачах (например, в условиях конечных деформаций, нелинейной упругости) пренебрежение влиянием тонких покрытий может приводить к существенным погрешностям расчетов. Существенные эффекты, связанные с влиянием тонких полимерных покрытий на напряженно-деформированное состояние металлических тонкостенных конструкций, могут проявляться в испытаниях на изгиб и могут быть связаны с действием остаточных напряжений. Исследованию данного вопроса на примере испытания стальных пластин с тонкими полимерными односторонними покрытиями посвящена настоящая работа.
2. Методика экспериментальных исследований
В работе исследовались пластины прямоугольной формы длиной 120 мм, шириной 12 мм и толщиной 0.6 мм, 0.8 мм, 1 мм (Рис.1), вырезанные из листовой прокатной стали марки 08ПС. После обезжиривания и фосфатирования на образцы с одной стороны электростатическим способом наносилось порошковое покрытие на эпоксидно-полиэфирной основе марки ЕиЕОРОЬУЕМ (Италия). Сушка осуществлялась при температуре 120 оС в течение не более 5 минут. Полимеризация напыленного слоя проводилась в термокамере при температуре 150 оС в течение 30 мин. Образцы охлаждались на воздухе в течение нескольких часов. Толщина покрытий на образцах составила порядка 100 мкм с разбросом значений ±20 мкм.
Толщина каждого образца в трех сечениях контролировалась микрометром. Каждой толщине соответствовала партия с покрытием и без, по шесть образцов в каждой соответственно. Всего было 36 образцов.
Механические испытания проводились на установке 1пв1топ 5969 (Великобритания) с программным обеспечением В1иеЫ11 3. В испытаниях на трехточечный изгиб расстояние между опорами составляло 100 мм. Скорость испытания составляла 1 мм/мин. Все испытания проводились при комнатной температуре. Для точного измерения перемещений пластины при изгибе использовался контактный экстензометр с базой 50 мм, который закреплялся на дефлектометре, установленном по центру под изгибаемым образцом.
а б
Рис. 1. Партии образцов в виде стальных пластин без покрытий (а) и с порошковым эпоксидно-полиэфирным покрытием (б).
Испытания на изгиб проводились до максимальных деформаций на растянутых волокнах 0,1%. В результате испытаний на изгиб определялся модуль упругости. Программа автоматически выбирала наиболее характерный интервал на диаграмме напряжения-деформации для определения модуля упругости образцов.
3. Результаты
По результатам испытаний на изгиб были получены характерные диаграммы нагрузка-перемещение, для каждой партии образцов с покрытиями и без покрытий. Для каждой партии была получена результирующая диаграмма, в результате осреднения экспериментальных данных для шести однотипных образцов, пример для партии с толщиной 0,6 без покрытия представлен на рис. 2.
Рис. 2. Результирующая диаграмма и диаграмма зависимости прогибов от приложенной нагрузки, полученные при испытании на трехточечный изгиб пластин с толщиной стальной подложки
0,6 мм без покрытий
Результирующая диаграмма для каждой партии образцов с покрытиями и без покрытий даны на рис. 3.
Рис. 3. Диаграммы зависимости прогибов от приложенной нагрузки, полученные при испытании на трехточечный изгиб пластин с различной толщиной стальной подложки с покрытиями и без покрытий (Где буква П обозначает партию образцов с покрытием, например 0,6 - партия образцов с толщиной 0,6мм без покрытия, а 0,6П- партия образцов с толщиной 0,6мм
без покрытия, и. т. п.)
Результирующие диаграммы зависимости напряжений от деформации для каждой партии образцов с покрытиями и без покрытий даны на рис. 4.
а
б
в
Рис. 4. Диаграммы напряжения-деформации, полученные при испытании на изгиб образцов с подложками толщиной 0,6 мм (а), 0.8 мм (б), 1 мм (в) с покрытиями и без покрытий
Из полученных результатов видно, что жесткость пластин (наклон диаграмм) незначительно изменяется при наличии на них покрытий. Однако, если пересчитывать модуль упругости пластин по результатам этих испытаний, то для образцов с покрытиями он всегда будет оказываться ниже, по сравнению с образцами без покрытий, вследствие их увеличенной толщины, определяемой с учетом наличия покрытий. При условии высокоточного измерения прогибов пластин и нагрузки данный тип испытаний может быть использован для идентификации модуля упругости покрытий [6-8]. В частности, в работе [8] для исследуемых покрытий было найдено значение модуля Юнга, которое составило, порядка 3 ГПа. Однако, с точки зрения расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, установленное несущественное влияние покрытий в большинстве случаев можно пренебрегать.
Полученный экспериментальный результат хорошо согласуется с численным моделированием в программном комплексе Ansys. Результаты моделирования представлены на рис. 5.
179
Рис. 5. Конечно-элементная модель представительного фрагмента образца с покрытием и его напряженно-деформированное состояние
Значения модуля упругости полученный в результате эксперимента не показал наличие остаточных напряжений в образцах. Из за недостатка упругости подложки в сравнении с толщиной полимерного покрытия. Однако полученный результат хорошо согласовывается с численным решением. Поэтому используя данную модель можно с достаточной точностью спрогнозировать наличие остаточных напряжений для последующих изучений.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 1601-00641.
Список литературы
1. Wicks Jr, Z. W., Jones, F. N., Pappas, S. P., Wicks, D. A. Organic coatings: science and technology. John Wiley & Sons. 2007. 656 с.
2. Санжаровский А. Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. 1978.
3. Bull S. J. Nanoindentation of coatings //Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Т. 38. №. 24. С. R393.
4. Getmanov A.G. et al. Experimental investigations of mechanical characteristics of powder coatings on an epoxy-polyester substrate by nanoindentation // Nanomechanics Science and Technology: An International Journal. 2015. Т. 6. №. 3.
5. Гаврилов Д.Г., Корнев Ю.В., Мамонов С.В., Мартиросов М.И., Рабинский Л.Н. Наноиндентирование порошковых лакокрасочных покрытий, наносимых на металлические поверхности // Вестник Московского авиационного института, 2011. Т. 18. №. 1.
6. Zhou T., Nie P., Lv H., Chen Q., Cai X. Assessment of elastic properties of coatings by three-point bending and nanoindentation. Journal of Coatings Technology Research, 2011, 8(3), 355-361.
7. Ang A.S. M., Berndt C.C. A review of testing methods for thermal spray coatings. International Materials Reviews, 2014. 59(4), 179-223.
8. Соляев Ю.О., Лурье С.А., Рабинский Л.Н., Мартиросов М.И., Ба-байцев А.В. Экспериментально-теоретическое исследование влияния полимерных порошковых покрытий на механические свойства стальных пластин. Механика композиционных материалов и конструкций. 2015. Т. 21. № 2. С. 197-205.
9. ГОСТ 14243-78. Материалы лакокрасочные. Методы получения свободных пленок.
10. Корягин С.И. Определение напряжений в основном листе трехслойной конструкции при изгибе и растяжении. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико-математические и технические науки. 2014. № 10. С. 35-42.
11. Birman, V., Byrd, L. W. (2007). Modeling and Analysis of Functionally Graded Materials and Structures. Applied Mechanics Reviews, 60(5), 195.
12. Jha, D. K., Kant, T., & Singh, R. K. (2013). A critical review of recent research on functionally graded plates. Composite Structures, 96, 833-849.
13. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.1. М.; Наука, 1965, 364 с.
14. Гетманов А.Г., Мартиросов М.И., Рабинский Л.Н. Исследование влияния тонких полимерных покрытий на механические свойства стальных пластин в испытаниях на растяжение, изгиб и устойчивость. Технология металлов, № 5, 2017. С. 12-19.
15. Berezovskii V.V., Shavnev A.A., Babaitsev A.V., e.t.c.. Mechanical properties of a metallic composite material based on an aluminum alloy reinforced by dispersed silicon carbide particles. Russian Metallurgy (Metally). 2015. № 10. P. 790-794.
16. Ю.О. Соляев, С.А. Лурье, А.В. Бабайцев, и д.р. Исследование механических характеристик металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного дисперсными частицами карбида кремния. Деформации и разрушение материалов. 2014. №12. С. 12 - 16.
Аунг Чжо Тху, аспирант, janus_olga@mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,
Бабайцев Арсений Владимирович, аспирант, м.н.с., Ar7eny-f iamail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Егорова Ольга Владимировна, канд. физ.-мат. наук, доцент, janus olgaamail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Мартиросов Михаил Иванович, канд. техн. наук, доцент, martirosovaaultranet.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Рабинский Лев Наумович, д-р физ.-мат. наук, професор, декан, f9 decamai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF A ONE-SIDED THIN POLYMER COATING ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL PLATES IN BEND TESTS
Aung Thu, A. V. Babaytsev, O. V. Egorova, M.I. Martirosov, L.N. Rabinskiy
The effect of a one-sided powder polymer coating on an epoxy-polyester base on the mechanical properties of plates manufactured from rolled sheet steel was investigated. The influence of a coating thickness of about 100 цm on the mechanical properties of samples (plates) 0.6, 0.8 and 1 mm thick was considered. The effect of a one-sided coating on mechanical properties was determined by bending tests at room temperature. The tests carried out showed that thin coatings slightly affect the mechanical properties of the plates in bend tests. The studies were confirmed by numerical modeling in the software complex Ansys.
Key words: 08PS, steel plates, polymer coatings, mechanical properties, bending tests, residual stresses.
Aung Chjo Thu, postgraduate, janus olgaamail. ru, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (National Research University),
Babaytsev Arsenij Vladimirovich, postgraduate, junior researcher, Ar7eny-f_i@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (NationalResearch University),
Egorova Olga Vladimirovna, candidate of physical and mathematical sciences, do-cent, janus olgaamail. ru, Russia, Moscow, Moscow aviation institute (National Research University),
Martirosov Mikhail Ivanovich, candidate of technicale sciences, docent, mar-tirosovaai ultranet. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Rabinskiy Lev Naumovich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, dean of faculty, f9 dec a mai. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
