CC BY
34
УДК 539.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ С ПОРОШКОВЫМИ ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
А.Г. Гетманов, Е.Л. Кузнецова, М.И. Мартиросов, Л.Н. Рабинский
Исследуется влияние порошковых покрытий на эпоксидно-полиэфирной основе на механические свойства пластин, изготовленных из листовой прокатной стали. Показано, что тонкие покрытия незначительно влияют на механические свойства пластин в испытаниях на растяжение и изгиб, при этом жесткость пластин при растяжении и изгибе, практически, не изменяется при наличии покрытий. В испытаниях на устойчивость, напротив, влияние покрытий оказывается существенным. В закри-тическом режиме деформирования несущая способность пластин с покрытиями существенно снижается.
Ключевые слова: стальные пластины, полимерные порошковые покрытия, механические характеристики, изгиб, устойчивость, растяжение, закритические деформации.
Исследование механических свойств покрытий является важной задачей при обеспечении их прочности и износостойкости в процессе эксплуатации. Определение модуля упругости, предела прочности и других механических свойств покрытий может проводиться методами мик-ро/наноиндентирования или в испытаниях образцов с покрытиями на изгиб с измерением остаточных деформаций на образцах с односторонним покрытием, в испытаниях на растяжение, при проведении прямых испытаний тонких пленок-покрытий или путем исследования характера коробления покрытий на податливых подложках и т.д.
На основании известных механических свойств покрытий можно оценить их прочность и долговечность с учетом действия внешних нагрузок и с учетом наличия остаточных напряжений, возникающих вследствие применения термообработки в процессе нанесения покрытий. Для прочностных расчетов крупногабаритных конструкций влиянием покрытий пренебрегают, если толщина стенок изделий значительно превышает толщину покрытий и жесткость покрытий намного ниже жесткости материала конструкции.
Методика экспериментальных исследований. Испытания проводились на образцах в виде пластин длиной 120 мм, шириной 12 мм и толщиной 0,7, 0,9, 1,2, и 1,5 мм. Материал пластин - листовая прокатная сталь марки 08ПС. На поверхность пластин наносилось полимерное порошковое покрытие на эпоксидно-полиэфирной основе электростатическим способом. Перед нанесением покрытий поверхность стали подвергалась обезжириванию и фосфатированию. Сушка осуществлялась при температуре
190
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 ±30 мкм.
На экспериментальной установке Instron 5969 (Великобритания) с программным обеспечением Bluehill 3 проводились испытания на трехточечный изгиб со скоростью испытания 1 мм/мин. Перемещение пластины при изгибе использовался контактный экстензометр с базой 50 мм, который закреплялся на дефлектометре, установленном по центру под изгибаемым образцом. Испытания на изгиб проводились до максимальных деформаций на растянутых волокнах с определением модуля упругости.
В испытаниях на растяжение применялся видеоэкстензометр с базой измерения 50 мм, поэтому диаграмма «Напряжения - деформации» построена с высокой точностью измерения деформаций (вплоть до разрушения образцов).
При испытании на потерю устойчивости при сжатии длина строилась диаграмма зависимости перемещений от прикладываемой сжимающей нагрузки в линейной области деформирования образца и в режиме за-критических деформаций после потери устойчивости. Момент потери устойчивости устанавливался визуально.
Испытания при повышенной температуре проводились с использованием климатической камеры. Температура испытаний составляла 70 0С.
Характерные диаграммы «Нагрузка - перемещение», полученные для образцов различной толщины с покрытиями и без покрытий в испытаниях на изгиб, продемонстрированы на рис. 1. Каждая диаграмма получена в результате осреднения экспериментальных данных для пяти однотипных образцов. По результатам исследований видно, что жесткость пластин (наклон диаграмм) незначительно изменяется при наличии на них покрытий. При условии высокоточного измерения прогибов пластин и нагрузки данный тип испытаний может быть использован для идентификации модуля упругости покрытий.
Результаты испытаний на растяжение показаны на рис 2. Представленная здесь диаграмма получена осреднением экспериментальных данных для пяти однотипных образцов. Влияние нагрева до 70 оС оказывается незначительным, однако в полученных результатах для пластин с покрытиями можно заметить, что нагрев приводит к повышению их предела прочности на 10...40 МПа, что может косвенно свидетельствовать о наличии соответствующего уровня остаточных напряжений в стальных подложках при комнатной температуре, которые релаксируют при нагреве.
40
35
30
25
1 20
15 -
10
5
1,5 мм
1,5 мм, с покрытием 1,2 мм
1,2 мм, с покрытием 0,9 мм
0,9 мм, с покрытием 0,7 мм
0,7 мм, с покрытием
1 1,5
IV, мм
Рис. 1. Диаграммы зависимости прогибов от приложенной нагрузки, полученные при испытании на трехточечный изгиб пластин с различной толщиной стальной подложки с покрытиями
и без покрытий
К
350 300 250 200 150 100 50 0
0123
4 5 6 7 8 9 10 8, %
400 __д
_д-
а [МПа] 123 ООО ООО г ' \
0 ....... ...... ......
0123456789 10 8, %
а
б
Рис. 2. Диаграммы «Напряжения - деформации», полученные при испытании на растяжение образцов с подложками толщиной 0,7мм (а) и 1,5мм (б) с покрытиями и без покрытий
Влияние покрытия в испытаниях на растяжение сводится к снижению уровня определяемых средних напряжений. Снижение возникает вследствие увеличения закладываемой в расчет площади поперечного се-
192
чения образца с покрытием. С точки зрения несущей способности образцов влияние покрытий является несущественным. Это подтверждается и численными расчетами.
Для моделирования применялась система Digimat-FE (MSC), которая в численных расчетах использует конечно-элементный решатель программного комплекса Marc (MSC). В качестве исходных данных в расчет была заложена экспериментальная диаграмма «Напряжения - деформация» для стальной подложки и упругие характеристики покрытия. Из рис. 3 видно, что влияние собственных упругих свойств покрытий несущественно даже для рассмотренных в расчетах тонких образцов, толщина которых превосходит толщину покрытий в 7 раз.
250
■без покрытия (эксперимент)
■ с покрытием (эксперимент)
без покрытия (расчет)
с покрытием, Еп = 3 ГПа (расчет)
с покрытием,Еп = 1ГПа (расчет)
- с покрытием, Еп = 6 ГПа (расчет)
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010
8, %
Рис. 3. Результаты испытаний пластин на потерю устойчивости
при сжатии
Каждая диаграмма на этих рисунках получена осреднением экспериментальных данных по пяти однотипным образцам. Нижний торец образцов фиксировался неподвижно в захвате испытательной машины, а к верхнему торцу прикладывалась сжимающая вертикальная нагрузка (через жесткую фиксацию в захвате). Поэтому фактически в эксперименте были реализованы граничные условия, соответствующие жесткому защемлению торцов пластин. Показаны найденные зависимости перемещений верхних торцов образцов (перемещения траверсы испытательной машины) от уровня прикладываемой сжимающей нагрузки.
Теоретические значения критической нагрузки потери устойчивости Ркр на графиках на рис. 4 отмечены горизонтальными пунктирными линиями. Эти значения были найдены на основании известной формулы теории устойчивости стержней для случая вертикального действия нагрузки и жесткого защемления торцов стержня:
193
Р = 1 кр
4р2 EJ
I
2
где I = 86 мм - длина стержня; Е - модуль Юнга; J - осевой момент инерции поперечного сечения стержня.
1000 800 ет 600
нн
1—' 400 РМ
200 0
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
и, мм а
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
и, мм б
Рис. 4. Результаты испытаний на потерю устойчивости при сжатии (пунктиром показано теоретическое значение критической нагрузки
потери устойчивости)
При моделировании пластин без покрытий принимаем Е = Ест -модуль Юнга стали, J = Jст = ЪН /12 - осевой момент инерции образцов толщиной Н и шириной Ъ. При моделировании пластин с покрытиями жесткость соответствующего стержня при изгибе должна вычисляться с учетом дополнительного вклада от слоев покрытий по теории смесей: EJ = 2ЕпJп + ЕстJст [7, 18], где Еп - модуль упругости покрытия; Jп - осевой момент инерции слоев покрытий, смещенных относительно нейтральной линии стержня. Показано единственное значение критической нагрузки, вычисленное без учета влияния покрытий.
Для образцов без покрытий найденные теоретические значения критической нагрузки достаточно хорошо соответствуют точкам на экспериментальных диаграммах, в которых зависимость нагрузки и перемещений перестает быть линейной.
Заключение. В настоящей работе показано, что критическая нагрузка потери устойчивости для пластин с покрытиями, модуль упругости которых на два порядка ниже модуля упругости подложки, может снижаться более чем в два раза, что обусловлено влиянием остаточных температурных напряжений, действующих в покрытии и в подложке. Нагрев, полимеризация и охлаждение покрытий при нанесении на стальные пластинки приводят к возникновению достаточно значительных остаточных напряжений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ код проекта № 17-01-00837 и Гранта Президента РФ МК-1204.2017.8
194
Список литературы
1. Афанасьев А.В., Дудченко А.А., Рабинский Л.Н. Влияние структуры полимерного композиционного материала на остаточное напряженно-деформированное состояние // Инженерная физика. 2010. № 7. С. 13 - 20.
2. Афанасьев А.В., Рабинский Л.Н., Шершак П.В. Экспериментальное определение деформационных и прочностных характеристик полимерных композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2010. Т. 16. № 2. С. 214 - 222.
3. Экспериментальное исследование деформирования и разрушения зернистых композитов на основе полиэфирных смол / Д.Е. Бессонов, А.Ю. Ершова, Ю.П. Зезин, М.И. Мартиросов, Л.Н. Рабинский // Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. № 1. С. 111 - 125.
4. Наноиндентирование порошковых лакокрасочных покрытий, наносимых на металлические поверхности / Д.Г. Гаврилов, Ю.В. Корнев, С.В. Мамонов, М.И. Мартиросов, Л.Н. Рабинский // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. №. 1.
5. Масштабные эффекты в механике сплошных сред. материалы с микроструктурой и наноструктурой / С.А. Лурье, П.А. Белов, Л.Н. Рабинский, С.И. Жаворонок. М., 2011.
6. Уточненная градиентная теория масштабо-зависимых (scale-depend) сверхтонких стержней / С.А. Лурье, Е.Л. Кузнецова, Л.Н. Рабинский, Е.И. Попова // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2015. № 2. С. 30 - 43.
7. Экспериментально-теоретическое исследование влияния полимерных порошковых покрытий на механические свойства стальных пластин / Ю.О. Соляев, С.А. Лурье, Л.Н. Рабинский, М.И. Мартиросов, А.В. Бабайцев // Механика композиционных материалов и конструкций. 2015. Т. 21. № 2. С. 197 - 205.
8. Якупов Н.М., Нуруллин Р.Г., Якупов С.Н. Методология исследования механических характеристик тонких пленок и нанопленок // Вестник машиностроения. 2009. №6. С. 44 - 47.
9. M. Beghini, G. Benamati, L. Bertini, F. Frendo Measurement of coatings' elastic properties by mechanical methods: Part 2. Application to thermal barrier coatings / M. Beghini, G. Benamati, L. Bertini, F. Frendo // Experimental Mechanics. 2001. 41(4). P. 305 - 311.
10. Benabdi M., Roche A.A. Mechanical properties of thin and thick coatings applied to various substrates. Part II. Young's modulus determination of coating materials // Journal of Adhesion Science and Technology. 1997. 11(3). P. 373 - 391.
11. Chiu C.C. Residual stresses in ceramic coatings as determined from the curvature of a coated strip // Materials Science and Engineering A. 1992. 150(1). P. 139 - 148.
12. Experimental investigations of mechanical characteristics of powder coatings on an epoxy-polyester substrate by nanoindentation / A.G. Getmanov [et al.] // Nanomechanics Science and Technology: An International Journal. 2015. Т. 6. №. 3.
13. A buckling-based metrology for measuring the elastic moduli of polymeric thin films / C.M. Stafford, C. Harrison, K.L. Beers, A. Karim, E.J. Amis, M.R. Van Landingham, E.E. Simonyi // Nature Materials. 2004. 3(8). P. 545 - 550.
Гетманов Александр Георгиевич, декан, vida_ku@,mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Кузнецова Елена Львовна, канд. физ.-мат. наук, доц., vida_ku@,mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Мартиросов Михаил Иванович, канд. техн. наук, доц., martirosova@,ultranet.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),
Рабинский Лев Наумович, д-р физ.-мат. наук, проф., декан, f9_dec@mai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)
ON THE EXPERIMENTAL MEASUREMENTS OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF METALLIC SPECIMENS WITH POWDER SPRAYED COATINGS
A.G. Getmanov, El.L. Kuznetsova, M.I. Martirosov, L.N. Rabinskiy
The effect powder sprayed epoxy-polyester coatings on the mechanical properties of plates of rolled iron sheets is investigated. It is shown that the thin coatings can be neglected in the tensile and bending stiffness of a sheet. The coating effect on the tension and bending is very small contrarily to its' significant effect on buckling. The bearing capacity of coated sheets during the postbuckling deforming is significantly less as compared with the bearing capacity of uncoated sheets.
Key words: steel sheets, powder sprayed polymeric coatings, mechanical properties, bending, buckling stability, tension, postbuckling deformed state.
Getmanov Alexander Georgievich, the dean of faculty, vida_ku@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Kuznetsova Elena Lvovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, vida_ku@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Martirosov Mikhail Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, martiroso-va@,ultranet.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (NationalResearch University),
Rabinskiy Lev Naumovich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, dean of faculty, f9 decaimai. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
