Оптимизация остаточных напряжений в полимерных покрытиях

УДК 620.178.311.6

С.И. Корягин

ОПТИМИЗАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЯХ

В этой статье рассматривается возможность оптимизации остаточных напряжений в полимерных покрытиях, нанесенных на металлическую поверхность, с целью использования результатов исследования в конструкторской практике.

In this article the possibility of optimizing the residual tension in polymeric coating on the metallic surface is discussed. The aim is to use the results in design practice.

Прогресс во многих областях техники неразрывно связан с проблемой создания и внедрения эффективных защитных полимерных покрытий, способных длительное время работать под нагрузкой в агрессивных средах.

Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 3. Физико-математические науки. С. 100 — 104.

Для зашиты металлических конструкционных материалов при длительной эксплуатации в агрессивных средах успешно применяются полимерные покрытия [1]. Они являются универсальным видом защиты металлов от воздействия большинства кислот и щелочей, предохраняют перерабатываемые вещества от загрязнения продуктами коррозии, что является необходимым условием проведения технологических процессов в различных отраслях техники.

Основным условием работоспособности композиционных материалов типа металл-полимер является сохранение сплошности покрытия, так как образование любого сквозного дефекта в полимерном покрытии приводит к воздействию агрессивной среды на металл и разрушению всего изделия.

При изучении прочности полимерных покрытий обычно рассматривают два основных вида разрушения — адгезионное и когезионное. Тот или иной вид разрушения, а также смешанное адгезионнокогезионное разрушение обусловлены рядом внутренних и внешних факторов, таких как прочность, химический состав и структура полимерного покрытия и металла (основы), вид напряженного состояния, геометрическая форма изделия, температура, физико-химическое воздействие внешней среды, физико-химическое взаимодействие в контактной зоне при формировании и эксплуатации покрытия и др.

Одним из главных условий работоспособности полимерного покрытия является достаточная прочность сцепления его с основной. В зависимости от соединяемых фаз и условий формирования композиции природа связи между полимерным покрытием и поверхностью металла может быть различной [2].

В процессе формирования защитных полимерных покрытий на металлах связи, существующие на границе раздела, препятствуют свободному деформированию материалов, вследствие чего в них возникают остаточные напряжения [3]. Наличие этих напряжений обусловливает необходимость рассматривать когезионную прочность покрытия не как прочность соответствующего материала, а как прочность элемента композиции металл-полимер. В системе металл-полимер остаточные напряжения возникают в процессе полимеризации полимерного покрытия на металлической поверхности. При этом остаточные напряжения в полимерном покрытии в значительной мере зависят от температуры и условий эксплуатации изделия [4].

В связи с этим представляет интерес рассмотрение вопроса о влиянии остаточных напряжений на предельное состояние полимерных покрытий с целью определения оптимальной величины этих напряжений, необходимых для обеспечения прочности покрытия в условиях эксплуатации.

Для этого из условия совместности деформации полимерного покрытия и металла при растяжении определяем напряжения в момент разрушения покрытия:

7 • Е

°пР =7^-,

Е М

101

где 7М — напряжения в металле; ЕМ, Еп — модули упругости металла и покрытия, соответственно.

102

Учитывая, что работа металлических изделий с полимерными покрытиями при напряжениях, превышающих предел текучести металла, недопустима, соотношение (1) можно записать в виде:

— • Е

— = т п,

р Е

М

определяющем напряжения в покрытии в момент достижения металлом предела текучести.

В работе [1] показано, что прочность полимерных покрытий определяется величиной действующих в нем сжимающих напряжений. Тогда максимальная прочность композиции металл-покрытие может быть достигнута, если исчерпание остаточных напряжений сжатия в покрытии происходит при достижении металлом предела текучести:

I I 7 т • Е п , ,

7 =-Е-П •

ЕМ

Соотношение (3) определяет минимальную величину остаточных напряжений сжатия в полимерном покрытии, необходимых для полного исчерпания прочностных свойств стали при растяжении композиции металл-полимер.

Однако остаточные напряжения сжатия в полимерном покрытии ограничиваются величиной —С, , при которой может произойти самопроизвольное (без приложения внешней нагрузки) разрушение покрытия под действием напряжений —0.

Согласно данным работы [5] величина —Сп не изменится при нанесении полимерного покрытия на выпуклую поверхность, для которой отношение толщины металла к радиусу кривизны полимерной поверхности км / К < 0,35. Данное соотношение нами используется при оценке прочности покрытия на реальных изделиях.

Исходя из этого, оптимальную величину остаточных напряжений сжатия, обеспечивающих надежную работу покрытия в процессе эксплуатации металлических изделий с полимерными покрытиями, определяем из соотношения:

— • Е  I I

=Ы=I.к -п |, (4) ЕМ

где I — коэффициент, учитывающий кривизну поверхности; при км /К < 0,35 , /К = 1,0; при Им /К > 0,35, /К = 0,85.

По известному значению остаточных напряжесий [4] с использованием зависимостей, приведенных в работе [6], определяем величину коэффициента линейного расширения в покрытии, необходимую для получения оптимальной прочности полимерного покрытия:

-,

Е п И* + ЕМ ИМ

И + п п____________М М

3И

1 1

—ПИП —МИм

п п м му

3Ип И

•АТ

где: ап ,аМ — коэффициенты линейного расширения покрытия и металла соответственно; Ип, ИМ — толщина покрытия и металла соответственно; И = Ип + ИМ — общая толщина покрытия.

Известно [1], что более общим критерием, характеризующим прочность композиции металл-покрытие, является условие ее общей равно-прочности, учитывающее одновременность растрескивания полимерного покрытия (исчерпания резерва остаточных напряжений сжатия) и его отслоение от металла в момент достижения последним предела текучести — иными словами, равенство критической и предельной деформации металла в зависимости от величины остаточных напряжений в покрытии.

Соотношение (4) отражает связь величины остаточных напряжений и предельных напряжений в металле при разрушении полимерного покрытия. Согласно работе [1] условие адгезионной и когезионной рав-нопрочности записывается в следующем виде:

Т

= И • ШЬ,

-п

а критическая деформация металла определяется выражением

8 =

мкр

т /—М•И

сц М

ИкЬ

где тсц — касательное напряжение; — п — нормальное напряжение в покрытии; МЬ — гиперболический тангенс от аргумента кЬ .

Отсюда получаем зависимость для определения минимально допустимой прочности сцепления для случая статического растяжения композиции металл-полимер:

• ИкЬ • Еп • И.

Следовательно, критерий общей равнопрочности композиции металл-покрытие можно получить в результате совместного решения соотношений (4) и (6), т. е.

тсц / — 0 = И • ИЬ,

ап =ам -

Т = 8

сц мкр

103

где — 0 — оптимальная величина остаточных напряжений сжатия, полученная из соотношения (4).

104

Оптимизация величины остаточных напряжений сжатия в полимерном покрытии дает возможность повысить предельные напряжения в металлической основе для композиций металл-покрытие на 20 — 30 %, в частности для композиций, включающих связующее «Спрут-9М» на стали Ст. 3сп, от 24 до 28 кН/см2.

Результаты проведенного исследования можно использовать в конструкторской практике при выполнении расчетов на прочность композитных элементов металл-покрытие по предельным напряжениям и деформациям металла, вызывающим отслоение покрытия.

Список литературы

1. Корягин С.И. Несущая способность композиционных материалов. Калининград, 1996.

2. Корягин С.И. Теории адгезии и экспериментальные методы исследования прочности сцепления // Пластические массы. 1997. № 3. С. 17 — 21.

3. Корягин С. И. Оценка вида напряженного состояния при отслаивании полимерного покрытия от металлической подложки / / Изв. вузов. Машиностроение. 1996. № 9. С. 19—21.

4. Санжаровский А.Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. М., 1978.

5. Корягин С.И. Зависимость радиальных напряжений от соотношения толщины основы и покрытия // Пластические массы. 1995. № 3. С. 15 — 16.

6. Журавлев Г. И., Кирш М.А. К методике определения термоупругих напряжений в покрытиях // Защитные высокотемпературные покрытия Л., 1992. С. 315 — 321.

Об авторе

С.И. Корягин — д-р техн. наук, проф., РГУ им. И. Канта, Когуа^п@АЬегіта. ги.