CC BY
26
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999 г Вып.№8
УДК 621.791.672.61
Серенко А.Н.1, Роянов В.Л.:, Захаров C.B.3
МОДУЛЬ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛА ПОКРЫТИЙ
Разработана методика определения модуля нормальной упругости покрытий, наносимых напылением, основанная на измерении величины удлинения исходного и напыленного образцов при растяжении заданной силой.
В слое, нанесенном газотермическим напылением на деталь, возникают остаточные напряжения, величина и характер распределения которых зависят от типа основного и напыляемого материалов, способа и параметров напыления, жесткости детали и др. факторов.
Полученные нами в [1] уравнения для определения остаточных напряжений расчетно-экспериментальным способом содержат постоянный множитель в виде модуля упругости материала напыленного слоя. Поэтому важно знать его величину в зависимости от напыляемых материалов и технологических параметров напыления ( дистанция напыления, режим процесса и др.)
Известны различные приемы определения модуля упругости в покрытиях [2], однако они требуют достаточно сложной аппаратуры и высокой точности изготовления образцов
Нами разработан достаточно простой и надежный способ его оценки, основанный на измерении величины удлинения исходного и напыленного образцов при растяжении силой заданной величины.
В напыленном образце (детали) устанавливается поле остаточных напряжений, интенсивность и характер которого зависит от соотношения коэффициентов линейного расширения покрытия и подложки, конфигурации и жесткости напыляемой детали и др. факторами. В общем случае напряженное состояние покрытия будет плоским, а соотношение компонент будет зависеть от геометрии детали. Для плоских деталей, длина которых значительно больше других размеров, остаточные напряжения
250
—I р
а
Е2 Е1
&ш
СТ,
&
X
сх
направленные по продольной оси,
будут значительно больше поперечных
Рис. 1-Вкд обра ща (а) и распределение остаточных напряжений (б)
напряжении г поэтому последними можно пренебречь.
Для определения модуля упругости напылённого слоя использовались образцы прямоугольного сечения (5x20 мм), длиной 500 мм (рис. 1), изготовленные из Ст.З. После изготовления образцы прошли высокий отпуск (до напыления) с целью устранения технгологических напряжений и наклепа.
Напыление образцов осуществлялось на специализированной установке на оптимальном режиме для исследуемого типа напыляемого материала.
1 ПГТУ, канд.техн. наук, проф.
2 ПГТУ, докг. техн. наук, проф., акад. АВШ Украины.
3 ОАО МК "Азовсталь", инж.
В целях уменьшения изгибных деформаций образцов при напылении производилось поочередное нанесение слоев на плоские грани.
В напылённом образце образуются остаточные напряжения, упрощенная эпюра
СГ
которых изображена на рис. 1,6. Продольные остаточные напряжения в покрытии 1 будут
О',
растягивающими, а в основном металле (подложке) - сжимающими. Величина напряжений '
часто достигает значений условного предела текучести материала слоя.
При растяжении образца с остаточными напряжениями происходит суммирование остаточных и рабочих напряжений, а вид диаграммы растяжения может быть представлен таким, как показано на рисунке 2.
Рис.2 - Диаграмма растяжения напыленного образца
Видно, что при первом нагружении напыленного образца силой/5, напряжения в слое
достигают величины ^ превышающее остаточные напряжения. При снятии нагрузки и
повторном нагружении той же силой металл покрытия и образца работают упруго.
Процедура определения модуля упругости металла покрытия проводится в два этапа
Вначале определяется модуль упругости основного металла (подложки) Е2 путем растяжения образца без напыления заданной силой Р
РР
Е =----<•<___ (])
где £ 0- длина рабочей части образца на которой измеряется: удлинение Л£ ,,; - площадь поперечного сечения образца. Затем проводятся испытания на растяжение напыленного образца силой Р равной силе в (1). Эта сила воспринимается как образцом (Р 2), так и напыленным слоем ( Р Д т. е.
Р=Рг+Р2 (2)
Под дейсвием силы Р образец, вместе с напыленным слоем получит удлинение Л£1. Тогда, составляющие силы Р найдем по зависимостям
„ ле^Е.Р, „ М ЕЛ р.'-^.р,"-^-. »')
о с о
где Е[ -модуль упругости металла покрытия;
общая площадь поперечного сеченния напылеииых слоев.
Подставляя (3) в (2), выражая Р из (1) и приравнивая их, получим:
EJ%At, = А£ ,E,F., + Al, Е , (4)
откуда окончательно находим выражение для :
F
Е^ — Е ^ ~ 2 р
(М Л
' 2 _ J
М, J
(5)
Таким образом, чтобы найти модуль упругости слоя Я, нужно предварительно
образец нагрузить до какой-то величины Р тах, разгрузит ь, а затем, снова нагружать с определением его удлинения, причем, рабочее усилие Р не должно превышать максимально выбранного, то есть Р < Р таг Модуль упругости определяется при постоянной величине усилия Р = const как для исходных (не напылённых), так и для; напылённых образцов.
At Ai
Для высокоточного определения удлинений образца '1' при растяжении
разработано специальное приспособление, схема которого изображена на рис.3. Чтобы избежать влияния изгибных деформаций образца при растяжении, измерение удлинений проводилось с двух сторон образца с последующим осреднением. В качестве измерителей удлинений использовались индикаторы часового тип с ценой деления 1 мкм.
Напыление проводилось тремя типами материалов; порошковой проволокой ПП-1, проволокой 06Х19Н9Т и проволокой Св-08Г2С.
Рис.3- Схема измерения удлинения образца: 1-образец; 2-планка; 3-индикатор; 4-регулируемыйупор; 5-прижим
Результаты определения модуля упругости напыленных слоев приведены в таблице Там же даются соотношения модулей упругости основного (Ст.З) и напыленных металлов.
Таблица - Значения модуля упругости покрытий
1 Модуль упругости, Е„ <3 =
1 проволоки Е,, МПа. Е,
ПП-1 0.559-10' 3,712
1 06X19Н9Т 0.503-105 4,125
Св-08Г2С 0.672-Ю5 3,087
В Видно, что модуль упругости напыленного слоя может быть в 3-4 раза меньше модуля ■упругости основного металла
Щ Выводы
11 Разработан метод расчетно-экспериментального определения модуля нормальной В упругости (модуля Юнга) покрытий, наносимых различными способами, посредством г измерения удлинения образцов в исходном состоянии и после нанесения покрытия при В растяжении заданной силой
|2. Покрытия, нанесенные электродуговым напылением, имеют модуль упругости в 3-4 раза | меньше модуля упругости стальной подложки.
I Перечень ссыпок
Г I. Серенко А.Н., Захаров C.B. Определение остаточных напряжений в покрытиях при разных I модулях упругости стержня и покрытия //Вестник Приазо». гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр -! Мариуполь,-1998,-Вып.б-С. 171-174.
12 Кузъменко В.А. Звуковые и ультрозвуковые колебания при динамических испытаниях Е материалов. - Киев,-1963.-150 с.
/ Серенко Александр Никитич. Канд. техн. наук, проф. кафедры и<Оборудование и технология /сварочного производства», окончил Алтайский политехнический институт в 1959 г. Основные направления научных исследований - совершенствование принципов оценки /работоспособности сварных соединений и конструкций; оценка напряженного состояния сварных соединений и деталей с покрытиями; изучение процессов при сварке с 1 программированием режима.
Роянов Вячеслав Александрович. Д-р техн. наук, проф., акад. АВШ Украины, заведующий кафедрой оборудования и технологии сварочного производства, заместитель ректора Приазовского государственного технического университета, окончил Ждановский металлургический институт в 1963 году. Основные направления научных исследований-совершенствование материалов и процессов нанесения газотермических покрытий; изучение закономерностей кинетического структурообразования в околошовной зоне при сварке и наплавке.
Захаров Сергей Валерьевич. Аспирант кафедры оборудования и технологии сварочного производства, старший мастер ОАО МК "Азовсталь", окончил Приазовский государственный технический университет в 1997 году. Основное направление научных исследований-изучение свойств переходных зон при газотермическом напылении.
