СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
METHOD TO DETERMINE RESIDUAL STRESSES AND ENERGY CHARACTERISTICS OF GAS THERMAL COATINGS

Изобретение относится к механическим испытаниям газотермических покрытий, а более точно касается определения остаточных напряжений в покрытии и энергии, необходимой для их высвобождения. Изобретение может быть использовано для контроля качества газотермических покрытий при разработке новых технологий и текущего контроля серийных технологий.
Известен способ определения деформации газотермических покрытий [A. Kucuk, С.С. Bemdt, U. Senturk, R.S. Lima, C.R. Lima Influence of plasma spray parameters on mechanical properties ofyttria stabilized zirconia coatings. I: Four point bend test // Materials Science and Engineering, 2000, A284, p.29-40], осуществляемый нагруженном по 4-х точечной схеме образца с покрытием, расположенным сверху так, чтобы при нагружении покрытие в средней части образца подвергалось сжатию. Данный способ не позволяет определить значение остаточных напряжений и энергии, высвобождающейся при разгружении образца, так как использует более мягкий, чем растяжение, тип нагружения образца.
Известен способ определения прочности газотермического покрытия [United States Patent 4876148, «Ceramic bodies having a plurality of stress zones», 10/24/1989], осуществляемый нагруженном по 4-х точечной схеме образца с покрытием, расположенным снизу так, чтобы при нагружении покрытие в средней части образца подвергалось растяжению. Нагружение осуществляется до разрушения покрытия. Однако в данном способе не используются нагрузки, которые формировали бы в газотермических покрытиях упругие деформации, позволяющие определить остаточные напряжения, а также энергию, требующуюся для их снятия.
Техническим результатом является получение комплекса механических характеристик газотермического покрытия, которые позволяют контролировать его качество и создавать совершенный технологический процесс его получения.
3
Технический результат достигается тем, что в способе определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермического покрытия, включающем нагружение образца с газотермическим покрытием, расположенного на опорах покрытием вниз, статической нагрузкой по 4-х точечной схеме, новым является то, что нагружение образца осуществляют плавно до величины нагрузки, не превышающей предел упругости материала покрытия, последовательно разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, при этом измеряют остаточное усилие, продолжают разгружение до получения значения усилия, равного нулю, и измеряют остаточную деформацию сжатия, по полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии и его энергетические характеристики, включающие: энергию высвобождения внутренних напряжений (Дж); энергию, необходимую для полной релаксации остаточных напряжений (Дж); плотность энергии, необходимой для полной релаксации остаточных напряжений (Дж/м
На фиг.1 представлена схема 4-точечного изгиба, где 1 - прямоугольный металлический образец (пластина); 2 - подслой; 3 - покрытие; 4 - тензодатчик; 5 - измеритель деформации; 6- устройство для нагружения.
На фиг.2 представлены примеры диаграмм деформирования образцов с газотермическим покрытием.
1
2
2
На фиг.3 представлена схема деформационного гистерезиса газотермического покрытия, где: S- энергия, потраченная на деформирование образца; S - энергия, освобожденная при разгрузке образца; А - часть энергии S, потраченная на релаксацию остаточных напряжений.
0
3
Сущность способа заключается в следующем. Образец с газотермическим покрытием, расположенный на опорах покрытием вниз, нагружают по 4-х точечной схеме до величины нагрузки не превышающей предел упругости материала покрытия. Затем последовательно разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, при этом измеряют остаточное усилие P (H). Далее продолжают разгружение до получения значения усилия, равного нулю и измеряют остаточную деформацию сжатия - L, (мкм). По результатам измерения строится диаграмма в координатах: «Нагрузка - P, (H) - перемещение (абсолютная деформация) - L, (мкм), которая представляет собой деформационный гистерезис. По полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии и его энергетические характеристики, включающие: энергию высвобождения внутренних напряжений (Дж); энергию, необходимую для полной релаксации остаточных напряжений (Дж); плотность энергии, необходимой для полной релаксации остаточных напряжений (Дж/м).
1
2
1. Энергию высвобождения внутренних напряжений S, (Дж) рассчитывают как разницу энергии S, затраченную на процесс деформирования газотермического покрытия и энергии S, высвобождающуюся при разгружении покрытия.
<mrow><mtext>S</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>S</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>S</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расчет этих площадей можно осуществить по формулам (2) и (3):
<mrow><msub><mtext>S</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mtext>i</mtext><mo>=</mo><mtext>1</mtext></mrow><mtext>n</mtext></munderover><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>i</mtext></msub><mo>⋅</mo><msub><mtext>P</mtext><mrow><mtext>n1</mtext></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mtext>S</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mtext>i</mtext><mo>=</mo><mtext>1</mtext></mrow><mtext>n</mtext></munderover><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mtext>P</mtext><mrow><mtext>n2</mtext></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
n1
n2
где Р - нагружение, Н; Р - разгрузка, Н; L, - перемещение, мкм.
2. Энергию А (Дж), необходимую для полной релаксации остаточных напряжений в покрытии рассчитывают по формуле:
а
о
где: F- усилие, Н;  - перемещение в области сжатия, мкм, Р - остаточное усилие, Н.
На диаграмме гистерезиса энергия А (Дж) соответствует площади прямоугольного треугольника в области сжатия.
3. Остаточные напряжения σ (МПа) рассчитывают по формуле:
<mrow><mtext>σ</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>3P</mtext></mrow><mtext>0</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>C</mtext></mrow><mrow><mtext>B</mtext><mo>⋅</mo><msup><mtext>H</mtext><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
где Р - остаточное усилие, при котором деформация становится равной нулю; В - ширина образца, мм; Н - полная толщина образца, мм; С - расстояние, между нагруженной и опорной балкой, 10 мм.
3
4. Плотность энергии релаксации остаточных напряжений, Дж/мрассчитывается по формуле:
<mrow><mtext>U'</mtext><mo>=</mo><mfrac><mtext>U</mtext><mrow><mtext>Fl</mtext></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mtext>σ</mtext><mtext>2</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>2E</mtext></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
U
m
где σ=P/F есть растягивающее напряжение. Модуль упругости Е трехслойной системы (основа-подслой-покрытие), используя правило аддитивности, находим по формуле:
<mrow><mtext>Е</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>E</mtext><mmultiscripts><mtext>h</mtext><mprescripts /><mrow><mtext>осн</mtext><mtext>.</mtext></mrow><none /></mmultiscripts><msub><mrow /><mrow><mtext>осн</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mtext>Е</mtext><mrow><mtext>подслой</mtext></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mtext>h</mtext><mrow><mtext>подслой</mtext></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mtext>E</mtext><mrow><mtext>пк</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><msub><mtext>h</mtext><mrow><mtext>пк</mtext></mrow></msub></mrow><mtext>Н</mtext></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>7</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
осн.
подслой
пк.
осн.
подслой
пк.
где: Е, Е, Е, - модули упругости основы, подслоя и газотермического покрытия, соответственно, МПа; h, h, h - толщины основы, подслоя и газотермического покрытия, соответственно, мкм. В результате получают комплекс механических характеристик газотермического покрытия, которые позволяют контролировать его качество на основе сопоставлении результатов схожих газотермических покрытий и создавать совершенный технологический процесс получения газотермических покрытий.