CC BY
27
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРПТ ТА МАШИНОБУДУВАНН1
УДК 621.793.7: 533.924
Е. А. Зеленина, д-р техн. наук С. В. Лоскутов, д-р техн. наук А. В. Ершов Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
МЕТОД РАСЧЕТА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОДЛОЖКЕ ПРИ ИСПЫТАНИИ
ОБРАЗЦОВ НА ИЗГИБ
Разработан метод расчета прочностных и упругих характеристик плазменного покрытия на поверхности подложки при испытании образцов на изгиб в области квазиупругих деформаций. Выполнено исследование механических свойств плазменного покрытия ПРНХ15СР2.Определены экспериментальные зависимости изменения модуля упругости и напряжения в процессе деформации.
Ключевые слова: плазменное покрытие, модуль упругости, механическое напряжение, относительная деформация, нейтральная ось, момент инерции.
Введение
Признано, что применение плазменных покрытий для восстановления и упрочнения деталей машин является экономически целесообразным. Однако величина прочности сцепления и когезионной прочности покрытий не всегда удовлетворяет условию надежной работы детали. Прочность плазменных покрытий, наносимых в воздушной атмосфере, в несколько раз ниже прочности компактного материала подложки [1-3]. Поэтому разработка методов измерения механических характеристик покрытий является актуальной проблемой.
Возможной причиной снижения прочности покрытий могут быть деформации покрытия и подложки в процессе сборки и эксплуатации деталей, а также возникновение остаточных напряжений при перегреве поверхности в процессе плазменного напыления [4-8]. Поскольку в покрытии обычно возникают растягивающие остаточные термонапряжения, то значительный интерес для оценки работоспособности представляет не только прочность сцепления с подложкой, но и модуль упругости и когезионная прочность, а также характер их изменения в процессе деформации.
Из существующих методов измерения механических свойств используются испытания на растяжение-сжатие, а также и на изгиб [4-5], которые предпочтительны для плоских образцов. Однако, их применение требует создания методики расчета физико-механических характеристик покрытия при существенном отличии свойств между покрытием и подложкой. Поэтому целью работы является разработка методики определения упругих и прочностных свойств покрытия на основании испытаний механических характеристик изгиба напыленного образца.
Методика эксперимента
При испытании на изгиб по консольной схеме, рис.1, измеряется перемещение свободного конца об-
разца под действием силы Р. Величина перемещения у определяется формулой
У =
PL5 3EI
(1)
где Ь - длина образца, Е1 - жесткость сечения, Е - модуль упругости, I - момент инерции поперечного сечения.
1
Рис. 1. Схема испытания образца с покрытием при изгибе
Если образец состоит из разнородных материалов, например, подложки и покрытия, то общая жесткость сечения равна сумме жесткостей составляющих частей:
Е1 = ЕХ1Х + Е212, (2)
где индексы «1» и «2» относятся соответственно к подложке и покрытию.
Поперечное сечение образца представляет собой прямоугольник, составленный из двух прямоугольников с площадями Б и Б с высотами И и И. Для определения положения нейтральной оси составим уравнения равновесия статических моментов сечения, рис. 2
bh2 E2 x2 = bhlElxl,
(3)
где Ь - ширина поперечного сечения, Е1 и Е2 - модули упругости подложки и покрытия, Х1 и Х2 - расстояния от центров сечений до нейтральной оси, рис. 2.
© Е. А. Зеленина, С. В. Лоскутов, А. В. Ершов, 2016
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016
107
Рис. 2. Схема положений центров сечений подложки Xl и покрытия относительно нейтральной оси (Н.О.) в поперечном
сечении образца:
1 - подложка; 2 - покрытие; х^ - расстояния от нейтральной оси до центров сечений подложки и покрытия
Для определения положения нейтральной оси относительно центра подложки определим связь между х1 и х2 в соответствии с рис. 2:
И + И2 х2 - 2 х1.
Подставив (4) в (3) находим х1:
_ Е2 ^(И + А2)
2( Е1И1 + Е2 И2)
(4)
(5)
Момент инерции составных частей сечения относительно нейтральной оси определяется по теореме Штейнера:
/1 - /10 + 51х1 ' /2 - /20 + 52 х2 ;
(6)
где /ю и /20 - моменты инерции подложки и покрытия относительно центра сечений, например:
/10 -
ьи3 12
120 - '
Ьк1 12
(7)
а 5*1 и - площади поперечных сечений подложки и покрытия.
Модуль упругости покрытия определится из (2):
Е - Е/ - Е/х
/ 2
(8)
Величина жесткости образца Е/ находится из формулы (1) при измерении перемещения у под действием силы Р.
Для измерений использовались образцы из стали Ст3 шириной Ь =12,3 мм, толщиной И = 1,5 мм, на которые наносилось покрытие толщиной И2 = 0,6 мм. Расчет положений центров сечений х1 и х2 относительно нейтральной оси и моментов инерции сечения /1 и /2 для Е2/Е1 = 0,2; 0,3 приведен в табл. 1.
Целью экспериментов было измерение перемещений стержня под действием изгибающей силы, рис. 1. Для измерения перемещений использовался часовой индикатор с ценой деления 0,01 мм. Величина изгибающей силы определялась подбором грузов. Результаты измерений перемещений образца с покрытием при изгибе и расчеты характеристик деформации для случаев растяжения и сжатия слоя покрытия приведены в табл. 2 и 3. Величина жесткости стержня, определенная по результатам измерений с использованием формулы (1), приведена в табл. 2 и 3. Модуль упругости покрытия определялся по формуле (8) при Е1 = 2,1 • 105 МПа. Моменты инерции подложки и покрытия принимались по данным табл. 1. Максимальная относительная деформация покрытия в точке защемления образца определялась из формулы для относительной деформации при изгибе стержня и формулы (1)
РЬ•У 3У
8 - -
Е/
Ь2
-у>
(9)
где У - наибольшее расстояние точек покрытия от нейтральной оси поперечного сечения.
Для определения нормального напряжения в покрытии использовался закон Гука
СТ - Е8 .
Таблица 1 - Результаты расчета геометрических характеристик составного сечения
Е2/Е1 хьмм х2,мм Т- 4 /10, мм 5ьмм2 4 /1,мм /20, мм3 52,мм2 т- 4
0,2 - 0,075 0,975 3,46 18,4 3,56 0,221 7,38 7,24
0,3 - 0,113 0,937 3,46 18,4 3,69 0,221 7,38 6,70
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРГ11 ТА МАШИНОБУДУВАНН1
Диаграммы растяжения и сжатия внешнего слоя покрытия приведены на рис. 3 и 4.
Таблица 2 - Расчет модуля упругости и максимального напряжения растяжения в покрытии
Р, Н у, 10-3 м Е/,1012 Н • м2 Е2, 104, МПа Е, 10-4 ст , МПа
5,85 0,16 11,86 6,23 2,82 17,5
11,25 0,31 11,41 5,52 5,63 31,1
16,87 0,47 11,58 5,79 8,27 47,9
22,22 0,64 11,26 5,29 11,3 59,5
27,63 0,815 10,99 4,88 14,3 69,9
33,47 1,027 10,57 4,20 18,7 78,6
6, М Па
во
70
ео ■
50 ■
40 -
30 20 ■ 10
о —
О 2 Л 6 П 10 12 14 16
Рис. 3. Диаграмма растяжения внешнего слоя покрытия Таблица 3 - Расчет модуля упругости и напряже-
ния сжатия в покрытии
Р, Н у, 10-3 м Е/,1012 Н • м2 е2, 104, МПа е, 10-4 ст, МПа
5,85 0,16 11,86 6,23 2,82 17,5
11,25 0,32 11,41 5,52 5,63 31,1
22,22 0,64 11,26 5,23 11,2 58,9
27,63 0,81 11,06 4,92 14,2 70,1
33,47 1,01 10,75 4,42 17,7 78,6
38,73 1,25 10,05 4,37 22,0 96,3
б, МПа
80
ТО ■
50 --
10 -30 ■ 20 -10 о
0 2 4 6 8 10 12 14 1® 1В 20
_е.ЮУ/о
Рис. 4. Диаграмма сжатия внешнего слоя покрытия
Анализ полученных результатов
Интерес представляет изменение полученных значений модуля упругости покрытия и зависимости напряжения от относительной деформации. Величина модуля упругости при относительной деформации растяжения и сжатия меньше 0,1 % составляет (5,5-6) • 104 МПа, что примерно в 3 раза меньше соответствующей величины для компактного материала. При увеличении относительной деформации от 0,1 % до 0,2 % происходит снижение модуля упругости на (20-25) %, что связано, по-видимому, с переходом в область неупругих деформаций. Снижение модуля упругости при растяжении более существенно, чем при сжатии, и происходит при меньшей нагрузке. Значения максимального напряжения при растяжении в упругой области под действием силы Р = 33,47 Н составило 78 МПа. При увеличении относительной деформации до 0,4 % произошло образование видимой трещины с частичным отслоением покрытия. При сжатии покрытия получено наибольшее напряжение 96 МПа, однако при дальнейшем повышении нагрузки измерения были некорректны вследствие перехода в область неупругих деформаций подложки при е > 0,2 %. Для определения прочности покрытия при дальнейшем сжатии и растяжении следует учитывать снижение модуля упругости подложки при напряжении выше предела пропорциональности.
Выводы
1. Предложенный метод расчета физико-механических характеристик покрытия при испытании образцов на изгиб позволяет определить упругие и прочностные характеристики покрытия на подложке и оценить надежность работы деталей, восстановленных методом плазменного напыления.
2. Показано, что в области квазиупругих деформаций подложки при е < 0,2 %, разрушения покрытий не происходит. При этом напряжения растяжения - сжатия в покрытии близки к 70-90 МПа, а модуль упругости примерно в 3 раза меньше, чем у стальной подложки. Разрушающая относительная деформация при растяжении покрытия составляет примерно 0,4 %. Для оценки разрушающих напряжений покрытия при растяжении и сжатии следует учитывать снижение модуля упругости подложки в области перехода к неупругой деформации.
Список литературы
1. Нанесення покриття / [В. М. Корж, В. Д. Кузнецов, Ю. С. Борисов и др.]. - К. : Аристей, 2005. - 204 с.
2. Кудинов В. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование / В. В., Кудинов, Г. В. Бобров. - М. : Металлургия, 1992. - 432 с.
3. Балдаев Л. Х. Современные тенденции получения газотермических покрытий / Л. Х., Балдаев, В. И. Калита // Технология металлов. 2003. - № 2. - С. 17-20.
4. Проблемы порошкового материаловедения. Часть VI. Плазменно- лазерные покрытия / [А. Н. Шмаков,
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016
109
В. Н. Анциферов, В. Я., Буланов, А. М. Ханов] // Екатеринбург. 2006. 588 с.
5. Борисов Ю. С. Газотермические покрытия из порошковых материалов / Ю. С. Борисов, Ю. А. Харламов. - К. : Наукова Думка, 1987. - 210 с.
6. Методы оценки служебных свойств защитных покрытий / [Л. Х. Балдаев, И. Ф. Арутюнова, Н. А. Волосов и др.] // Сварочное производство. - 2001. - № 9. - С. 3538.
7. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. - М. : Машиностроение, 1990. 384 с.
8. Теплофизическая модель и расчет остаточных напряжений в газотермических покрытиях / [А. Ф. Пузряков,
B. А. Тарасов, Н. Ю. Липин и др.] // Технология машиностроения. - 2006. - № 2. - С. 39-44.
9. Игнатьков Д. А. Определение характеристик упругости неоднородных материалов динамическим методом / Электронная обработка материалов. - 2011. - 47(1). -
C. 53-62.
Одержано 16.12.2016
Зеленша О. А., Лоскутов С.В., Сршов А.В. Метод розрахунку фiзико-мехашчних характеристик плазмового покриття на тдкладщ при випробуванш зразтв на вигин
Розроблено метод розрахунку мщнгсних i пружних характеристик плазмового покриття на поверхнi тдкладки при випробуваннi зразюв на вигин у зот квазiпружних деформацш. Виконано до^дження мехатчних властивостей плазмового покриття ПРНХ15СР2. Визначено експериментальш залежностi змти модуля пружностi i напруги в процеci деформацИ.
Ключовi слова: плазмове покриття, модуль пружноcтi, механiчне напруження, вiдноcна деформащя, нейтральна вкь, момент iнерцii.
Zelenina E., Loskutov S., Ershov A. The method of calculating physical-mechanical characteristics of the plasma coating on a substrate when the test specimens in bending
The method of calculation of the strength and elastic characteristics of the plasma coating on the surface of the substrate when the test specimens in bending in the region of quasielastic deformation is given. Study on mechanical properties ofplasma coatings ПРНХ15СР2 is done. Defined experimental dependences of change of elastic modulus and strain in the deformation process are shown.
Key words: plasma coating, modulus of elasticity, stress, deformation, neutral axis, moment of inertia.
