Способ определения остаточных напряжений в покрытиях
METHOD FOR DETERMINING RESIDUAL STRESSES IN COATINGS

Способ определения остаточных напряжений в покрытиях относится к механическим испытаниям покрытий, а именно к методам определения остаточных напряжений в покрытиях, созданных напылением.
Известен ряд способов определения остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрах, а также в поверхностных слоях деталей произвольной формы [Биргер И.А. Остаточные напряжения. Издание 2-е: М.: ЛЕНАНД (Физико-математическое наследие). 2015. - С. 156-169). Сущность этих способов определения остаточных напряжений заключается в освобождении остаточных напряжений путем расточки и (или) обточки с измерением деформаций, по которым расчетом определяют величину и знак остаточных напряжений.
Известен также способ определения остаточных напряжений [Патент РФ № 2499244], включающий нагружение образца с газотермическим покрытием, расположенного на опорах вниз, статической нагрузкой по 4-точечной схеме. Нагружение образца осуществляют плавно до величины нагрузки, не превышающей предел упругости материала покрытия образца, последовательно разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, при этом измеряют остаточное усилие и остаточную деформацию сжатия. По полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии и его энергетические характеристики.
Способ не позволяет определить остаточные напряжения в покрытиях поверхностей конструкций реальных деталей, а также требует применения специального оборудования для испытания под статической нагрузкой.
Это создает трудности применения их в качестве тестов контроля в системе технологического процесса создания покрытий напылением.
Техническая задача от использования заявленного способа заключается в получении более широкой и точной информации по характеристике создаваемого покрытия напылением.
Техническая задача в заявленном способе достигается тем, что в качестве образцов применяют цилиндрические заготовки из материала близкого к химическому составу реальной детали, на которых создают узкие пояски покрытия изучаемой технологии напыления. Осевые и радиальные напряжения в поясках покрытия практически очень малы, поэтому ими предполагается пренебречь. Освобождение от остаточных напряжений производят путем нанесения на цилиндрический образец с напылением 3-х, 4-х радиальных разрезов покрытия на глубину толщины сечения покрытия. Определяют прочность сцепления покрытия на сдвиг посредством пресса путем продавливания цилиндрического образца через отверстие матрицы.
На фигуре показана схема определения прочности сцепления покрытия (где 1 - образец; 2 - поясок покрытия; 3 - матрица; 4 - разрезы покрытия; b - ширина пояска покрытия; D - диаметр напыляемого образца; F - сила нагрузки сдвига пояска покрытия). Прочность сцепления покрытия определяют по отношению силы его сдвига, при продавливании через отверстие матрицы, к площади контакта пояска покрытия с основой заготовки образца.
θ
Окружные остаточные напряжения σ в кольцевом покрытии определяют расчетом как разность прочности сцепления на сдвиг покрытия при освобождении их от остаточных напряжений и прочности сцепления покрытия при исходном уровне технологических остаточных напряжений в соответствии со следующей формулой.
θ
где σ – окружные остаточные напряжения в покрытии, МПа;
сц(р)
τ – прочность сцепления покрытия на сдвиг при освобождении их от остаточных напряжений, МПа;
сц
τ – прочность сцепления покрытия на сдвиг при исходном уровне остаточных напряжений, МПа.
Прочность сцепления покрытия на сдвиг при освобождении его от остаточных напряжений определяют по следующей формуле
где F – сила сдвига кольцевого пояска покрытия, Н;
b – ширина пояска кольцевого покрытия, мм;
t – ширина реза кольцевого пояска покрытия, мм;
n – количество разрезов кольцевого пояска покрытия, шт.;
D – диаметр напыляемого образца, мм.
Прочность сцепления покрытия на сдвиг при исходном уровне остаточных напряжений определяют по следующей формуле
Пример определения технологических остаточных напряжений в образцах заявленным способом.
Технология создания покрытия производилась в соответствий с требованиями [ГОСТ 279-88. Покрытия детонационные].
1) На наружной поверхности цилиндрических образцов диаметром 30 мм создается 2-слойное покрытие детонационным напылением: первый слой напыляется порошковым вольфрамокобальтовым сплавом ВК-25 толщиной 0,020-0,030 мм. Затем напыляется 2-й (основной) слой покрытия до толщины общего слоя 0,40 мм порошком ПР-Н70Х17С4Р4.
Испытания покрытий показали следующие результаты.
сц(р)
Прочность сцепления покрытия на сдвиг, с освобождением его от остаточных напряжений, составила τ=236 МПа.
сц
Прочность сцепления покрытия на сдвиг, с исходным уровнем остаточных напряжений, составила τ=115 МПа.
θ
Окружные остаточные напряжения σ в узком кольцевом покрытии составляют
Технико-экономическая эффективность предложенного способа определения технологических остаточных напряжений в покрытиях, созданных напылением, заключается в следующем.
1. Определение технологических остаточных напряжения производится по прочности сцепления на сдвиг, поэтому погрешность их влияния находится на нулевом уровне.
2. В силу простоты определения технологических остаточных напряжений предложенный способ рекомендуется использовать в качестве теста для контроля технологических операций создания покрытий напылением.
3. В связи с исключением необходимости измерения деформаций, при определении остаточных напряжений, стоимость оборудования и трудоемкость определения остаточных напряжений уменьшаются.