Способ расчета пластической деформации и остаточного ресурса газотермического покрытия
METHOD FOR CALCULATING PLASTIC DEFORMATION AND RESIDUAL LIFE OF GAS-THERMAL COATING

Изобретение относится к механическим испытаниям газотермических покрытий, а конкретно касается определения пластических деформации в различных диапазонах нагрузок. Изобретение может быть использовано для расчета накопления остаточных пластических деформаций (мкм) и остаточного ресурса (%) газотермического покрытия при различных режимах его эксплуатации.
Известен способ определения деформации газотермических покрытий [A. Kucuk, С.С. Berndt, U. Senturk, R.S. Lima, C.R. Lima Influence of plasma spray parameters on mechanical properties of yttria stabilized zirconia coatings. I: Four point bend test // Materials Science and Engineering, 2000, A284, p. 29-40], при котором нагружают по 4-х точечной схеме образец с газотермическим покрытием, расположенный сверху так, чтобы при нагружении покрытие в средней части образца подвергалось сжатию. Данный способ не позволяет определить значение остаточных пластических деформаций и их накопление при последующих циклах испытаний образца, так как использует более мягкий, чем растяжение, тип нагружения образца.
Известен способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермических покрытий (патент №2499244, МПК G01N 3/20, опубл. 20.11.2013 г., авторы: Ильинкова Т.А., Ибрагимов А.Р., Бакиров И.Р., Мельникова Т.Н.], в котором нагружение образца с покрытием осуществляют изгибающей нагрузкой по 4-х точечной схеме, не превышающей предел упругости материала покрытия, а затем разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, 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. Однако в данном способе не используются последовательно один и более раз равнораспределенные нагрузки, которые формировали бы в газотермических покрытиях упругие, упруго-пластические и пластические деформации, позволяющие определить остаточные пластические деформации и их накопление.
Технической проблемой является определение остаточного ресурса у образцов с газотермическим покрытием для того, чтобы далее рассчитать остаточный ресурс газотермических покрытий в составе реальных деталей.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в получении значений пластических деформации газотермических покрытий при различных нагрузках, что позволяет рассчитать характер накопления пластических деформации и прогнозировать долговечность, остаточный ресурс покрытия при различных режимах его эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе расчета пластической деформации и остаточного ресурса газотермического покрытия, включающем нагружение образца с газотермическим покрытием, расположенного на опорах покрытием вниз, статической нагрузкой по 4-х точечной схеме до разрушения газотермического покрытия, новым является то, что нагружение осуществляют последовательно, плавно один и более раз равнораспределенно в трёх диапазонах нагрузок, соответственно: упругой, упругопластической и пластической зоне деформации покрытий с последующей разгрузкой до нуля, при этом измеряют остаточные пластические деформации (мкм), далее образец нагружают до разрушения газотермического покрытия, замеряют максимальные деформации покрытия (мкм), рассчитывают сумму остаточных пластических деформаций (мкм) для всех диапазонов нагрузки, суммируют к ней значение максимальной деформации, а для определения остаточного ресурса в любой момент испытаний от вышеуказанной суммы вычитают накопленные на данный момент остаточные пластические деформации (мкм), при этом полученный результат переводят в процентное соотношение от вышеуказанной суммы, по полученному результату судят об остаточном ресурсе для аналогичных газотермических покрытий
На фиг. 1 представлена схема 4-х точечного изгиба, где 1 - прямоугольный металлический образец (пластина); 2 - подслой; 3 - покрытие; 4 - тензодатчик; 5 - измеритель деформации; 6 - устройство для нагружения.
На фиг. 2 представлена схема деформационного гистерезиса газотермического покрытия.
Сущность способа заключается в следующем. Образец 1 с газотермическим покрытием, расположенный на опорах покрытием вниз, нагружают статической нагрузкой по 4-х точечной схеме последовательно, плавно один и более раз равнораспределенно в трёх диапазонах нагрузок, соответственно: упругой, упругопластической и пластической зоне деформации покрытий с последующей разгрузкой до нуля, при этом тензодатчиками измеряют остаточные пластические деформации (мкм). Далее образец нагружают до разрушения газотермического покрытия, измеряют тензодатчиками максимальные деформации покрытия (мкм). По результатам измерения строится диаграмма в координатах: «Нагрузка, Ρ (Η) - Деформация, ε (мкм)», которая представляет собой деформационный гистерезис. По полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные пластические деформации (мкм) для всех диапазонов нагрузки. Для определения общего деформационного ресурса покрытия (S) суммируется все остаточные пластические деформации (мкм) и значение максимальной деформации (мкм). Для определения остаточного ресурса (%) в любой момент испытаний, от вышеуказанной суммы вычитают накопленные на данный момент остаточные пластические деформации (мкм), при этом полученный результат переводят в процентное соотношение от вышеуказанной суммы, по полученному результату судят об остаточном ресурсе для аналогичных газотермических покрытий.
Расчет пластической деформации и остаточного ресурса осуществляют следующим образом:
0
1
- остаточные пластические деформации ε (мкм) рассчитываются как разница между начальной (ε) перед нагружением и конечной (ε) деформацией после разгружения:
- суммарные остаточные пластические деформации (мкм) рассчитываются как сумма всех пластических деформации в диапазонах нагрузок: упругой, упругопластической, пластической зон деформации покрытий - Σε
max
- значение максимальной деформации (мкм) определяют в момент разрушения покрытия - ε.
- остаточный ресурс (Υ) покрытия рассчитывается при условии:
max
а) если не достигнуто предельное значение общего деформационного ресурса покрытия - S (Σε<S), то остаточный ресурс (Y) определяется в процентах и выражается по формуле Y=((S - (Σε+ε))*100%) / S.
max
б) если Σε≥S или (Σε+ε) ≥S, тο в этом случае произошло разрушение покрытия и Υ= 0.
Пример №1: Образец №1 - пластина размерами 10*80*3 мм из никелевого сплава марки ВХ-4А, имеющая 2 слоя напыления газотермического покрытия: Metco 204-NS+AMDRY 995 С напыленное плазменным методом по стандартной технологии. На пластину в средней части наклеены тензодатчики (размеры 20*5мм, сопротивление 200 Ом). Испытания проводились на 4-х точечный изгиб. Значения из тензодатчиков тарировались в микрометры, полученные пластические, максимальные деформация покрытия определялись через растяжение, перемещение тензодатчиков. На фиг. 2 в качестве примера представлена схема деформационного гистерезиса газотермического покрытия.
При первом испытании образца в упругой зоне деформации до 400Н нагрузки с последующей полной разгрузкой, была зафиксирована остаточная пластическая деформация газотермического покрытия - 0,2 мкм. При каждом последующем цикле испытании до 400Н фиксировалось увеличение остаточной пластической деформации после разгрузки на 0,0005 мкм.
Далее испытания проводились в упругопластической зоне деформации покрытий при нагружении до 800Н с полным разгружением. При первом испытаний было зафиксировано 3,2 мкм остаточной пластической деформации. При каждом последующем повторе цикла испытаний до этой нагрузки фиксируется увеличение остаточных пластических деформаций -0,016 мкм.
Испытания в пластической зоне деформации проводились при нагрузках до 1200Н с последующей полной разгрузкой. При первом испытаний было зафиксировано 26,2 мкм остаточной пластической деформации газотермического покрытия. При каждом последующем повторе цикла испытаний до этой нагрузки фиксируется увеличение остаточных пластических деформаций - 0,2 мкм.
Далее образец испытывался до разрушения газотермического покрытия. При максимальной деформации примерно 215 мкм произошло разрушение покрытия.
Пример № 2: Образец №2 - пластина, имеющий те же характеристики, что и образец №1.
При первом испытании образца в упругой зоне деформации до 400Н нагрузки с последующей полной разгрузкой, была зафиксирована остаточная пластическая деформация газотермического покрытия - 1,5 мкм. При каждом последующем цикле испытании до 400Н фиксировалось увеличение остаточной пластической деформации после разгрузки на 0,0038 мкм.
Далее испытания проводились в упругопластической зоне деформации покрытий при нагружении до 800Н с полным разгружением. При первом испытаний было зафиксировано 10 мкм остаточной пластической деформаций. При каждом последующем повторе цикла испытаний до этой нагрузки фиксируется увеличение остаточных пластических деформаций -0,05 мкм.
Испытания в пластической зоне деформации проводились при нагрузках до 1200Н с последующей полной разгрузкой. При первом испытаний было зафиксировано 53,4 мкм остаточной пластической деформации газотермического покрытия. При каждом последующем повторе цикла испытаний до этой нагрузки фиксируется увеличение остаточных пластических деформаций - 0,4 мкм.
Далее образец испытывался до разрушения газотермического покрытия. При максимальной деформации примерно 180 мкм произошло разрушение покрытия.
Таким образом, для образцов №1 и №2 суммирование всех пластических и максимального значения деформации дало примерное значение 250 мкм деформации в покрытии, что соответствует S - общему деформационному ресурсу покрытия. Это говорит о том, что произошло разрушение и остаточный ресурс покрытия (Y) равен 0.
Для аналогичных образцов можно определить остаточный ресурс на каждом этапе испытаний и при различных режимах до разрушения покрытия, рассчитав суммарные пластические деформации и остаточный ресурс газотермического покрытия.