СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ПЛАКИРУЮЩЕГО СЛОЯ С ОСНОВНЫМ МАТЕРИАЛОМ Российский патент 1997 года по МПК G01N19/04 

Изобретение относится к плакированию, напылению или нанесению различных материалов и предназначено для механических испытаний прочности сцепления плакирующего, напыленного или нанесенного различными способами слоя с основным материалом и может найти применение для определения прочности сцепления нанесенного слоя различных толщин с основным металлом или крупногабаритного изделия, или заготовки больших размеров с сохранением их геометрической формы, конструкционной прочности при последующем восстановлении работоспособности изделия и товарного вида заготовки.

Предлагаемый способ определения прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом применим преимущественно при сопротивлении на срез нанесенного слоя и его прочности сцепления на отрыв с основным материалом до 400 МН/м² (40 мг/мм²).

Известен способ определения прочности сцепления слоев при механических испытаниях двухслойных сталей, предусматривающий изготовление образцов цилиндрической формы и их испытание на разрывной машине. Однако при испытании можно применять только листы толщиной плакирующего слоя > 5 6 мм, позволяющей изготовить образец требуемой формы.

Для изготовления образца необходимо вырезать из изделия заготовки карточку, из которой на токарном станке получают образец требуемых размеров. Эти операции весьма трудоемки, требуют большой затраты электроэнергии и использования специального оборудования. При этом отбраковывается большой участок заготовки, а изделие утрачивает работоспособность. Другим недостатком этого способа является необходимость приварки к плакирующему и основному слоям специальных головок для крепления их в захватах разрывной машины.

Эта операция усложняет изготовление образцов, при этом не исключено влияние процесса сварки на определяемую величину (Меандров П. В. Двухслойные коррозионно-стойкие стали. М. Металлург, 1970, с. 154).

Известен способ определения прочности сцепления слоев по А ТМА-264-44Т, принятый на заводах Франции, Японии, Англии, Швеции и ФРГ (там же, стр. 155).

Образцы для испытания по А ТМ обрабатываются со стороны плакирующего слоя на глубину, равную толщине этого слоя, при этом оставляют полосу плакирующего слоя постоянного сечения, на которую в процессе испытания действует усилие среза. Недостатком этого процесса является то, что к испытанию допускаются образцы, у которых сопротивление на срез между основным и плакирующим слоем не менее 140 МН/м² (14,06 кг/мм²); в отечественных ТУ и ГОСТ 10885-84 150 МН/м² (15 кг/мм²).

Недостатком также является большая трудоемкость изготовления образцов и необходимость привлечения станков различного типа и последующая отбраковка больших площадей заготовок и утрата изделием работоспособности.

Известен способ оценки прочности сцепления двух слоев металла, при реализации которого изготавливают специальный образец для испытания биметаллического соединения на срез (авт. св. СССР N 1222467, кл. В 23 К 28/00, 1984). Образец выполняют в виде биметаллической пластины с поперечными надрезами в основном и плакирующем слоях глубиной, равной толщине соответствующего слоя, между которыми расположен испытываемый участок образца. При этом пластина снабжена дополнительно металлической планкой с выступом, размещенным в надрезе плакирующего слоя. Планку соединяют с плакирующим слоем пайкой. По концам образца выполняют отверстие для соединения с захватами разрывной машины.

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость изготовления образца, необходимость соединения пайкой плакирующего слоя со специальной планкой, а также изготовление оснастки на образцы с различным сочетанием толщин основного и плакирующего слоя.

При изготовлении образца необходимо использовать следующее оборудование: установку для плазменной резки (газокислородной, дуговой и другого способа); фрезерный или строгальный станок.

Недостатком является большая материалоемкость образцов, необходимость отбраковки больших площадей биметаллических заготовок, а также полная потеря работоспособности изделия после проведения испытания.

Известен способ механических испытаний образцов с кольцевыми пазами (Павлов И. Н. Бринза В. Н. Образцы с кольцевыми пазами. Информация ЦНИИЧМ, 1962, 9 т. 8).

По этому способу производят сверление отверстия со стороны основного материала с проходом границы соединения с плакирующим слоем, затем со стороны плакирующего слоя производят аксиальную расточку кольцевого паза с проходом границы соединения слоев, после чего в специальном приспособлении на разрывной машине определяют прочность сцепления слоев на кольцевом участке.

Основными недостатками этого способа являются невозможность изготовления образцов из заготовок с плакирующем слоем менее 5 6 мм; большая трудоемкость изготовления образца, где необходимо использовать установку для плазменной резки или другое оборудование для разделительной резки биметалла, а также сверлильный, токарный станки и специальные приспособления.

Наиболее близким к изобретению является способ механических испытаний при определении адгезионной прочности, который осуществляют следующим образом: в основной материал (матрицу) с выполненным сквозным отверстием вставляют закладной элемент (штифт), изготовленный из того же материала, что и основной материал, на поверхность, образованную основным материалом и торцем штифта, наносят покрытие, а к закладному элементу прикладывают усилие среза покрытия (А. Д. Зимон. Адгезия пленок и покрытий М. Химия, 1977 с. 87).

Этот способ имеет те же недостаток, что и вышеперечисленные, т. е. требуется вырезка образцов, применение специальных разрывных машин, фиксирующих максимальное усилие среза или отрыва плакирующего слоя или адгезионной пленки.

Технический эффект заключается в возможности определения прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом по соотношению площадей отрыва слоя, расчетной и полученной в результате прошивки слоя закладным элементом.

Требуемый технический эффект достигается тем, что в способе определения прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом до нанесения плакирующего слоя в основном материале выполняют сквозное отверстие, вставляют в него закладной элемент с рабочим торцем диаметром d₀ без зазора заподлицо с поверхностью контакта, наносят плакирующий слой толщиной δ, прикладывают к закладному элементу усилие, перпендикулярное поверхности контакта до обеспечения сквозного разрушения среза плакирующего слоя, определяют площадь среза из соотношения F_ср=πd_oδ, затем определяют глубину отрыва, как расстояние l от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом, определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения d₁ d₀ + 2l, вычисляют площадь отрыва F_от и сопоставляют ее с площадью отрыва, вычисленной по соотношению F*от

=0,5F_ср и, зная прочность материала плакирующего слоя, находят прочность его сцепления с основным материалом.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом показывает, что определение прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом по отношению площади отрыва, которая образуется, если прочность сцепления равна прочности плакирующего слоя, с площадью отрыва плакирующего слоя, полученной после прошивки его закладным элементом, позволяет исключить трудоемкую операцию вырезки карточек и последующего изготовления из нее образцов для механических испытаний на разрывной машине, а также позволяет производить после испытаний полное восстановление работоспособности и товарного вида изделия или заготовки.

На фиг. 1 приведена схема заделки и монтажа закладного элемента; на фиг. 2 схема разрушения плакирующего слоя после прошивки его закладным элементом.

Способ осуществляют следующим образом: в произведенное в основном материале 1 сквозное отверстие вставляют закладной элемент 2 и фиксируют его монтажной шайбой 4, затем наносят плакирующий слой 3. После этого измеряют толщину плакирующего слоя δ и вычисляют площадь его среза закладным элементом, которая равна произведению длины окружности закладного элемента на толщину плакирующего слоя. Затем вычисляют площадь отрыва плакирующего слоя, равную половине площади его среза (такое соотношение площадей отрыва и среза плакирующего слоя после его прошивки закладным элементом может быть только в том случае, когда прочность сцепления слоя с основным материалом равна прочности материала плакирующего слоя). После прошивки (среза) закладным элементом плакирующего слоя измеряют глубину отрыва плакирующего слоя l, расстояние от края отверстия до линии сцепления слоя с основным материалом.

Измеренную глубину отрыва удваивают и суммируют с диаметром закладного элемента d₀. Результатом этого является размер d₁ (фиг. 2), необходимый для вычисления площади кольцевой поверхности отрыва плакирующего слоя.

Если измеренная площадь отрыва слоя равна вычисленной площади отрыва и равна половине площади среза слоя, то прочность сцепления его с основным материалом равна прочности материала плакирующего слоя.

Если измеренная после испытаний площадь отрыва слоя больше половины площади среза, прочность находят по соотношению площадей отрыва, вычисленной и измеренной после прошивки слоя закладным элементом.

Методика определения прочности сцепления слоев по соотношению площадей отрыва и среза основана на следующей теоретической предпосылке.

Третья теория прочности (теория наибольших касательных напряжений), в основу которой положена гипотеза о том, что два напряженных состояния - сложное и линейное эквиваленты в смысле прочности, если наибольшие касательные напряжения одинаковы.

Условия разрушения и прочности соответственно описываются следующим соотношением

где τ_max максимальные касательные напряжения;
τ_ср касательные напряжения среза;
σ_в временное сопротивление разрыву.

( Справочник по сопротивлению материалов (Писаренко Г. С. Яковлев А. П. и Матвеев В. В. 2 изд. перераб. и доп. Киев: Наукова думка, 1988 с. 198).

Представим соотношением (2) в виде

F_от 0,5 F_ср (5)
где Р_max максимальное усилие среза или отрыва;
F_от площадь отрыва плакирующего слоя от основного материала;
F_ср площадь среза слоя.

Следовательно, по соотношению площадей отрыва и среза можно определить прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом.

Правую часть соотношения (5) F_ср для конкретного случая испытаний определяют как произведение длины окружности закладного элемента на толщину плакирующего слоя. После испытаний полученную площадь отрыва F_от подставляют в соотношение (5), если площадь отрыва составляет половину площади среза, прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом на уровне прочности материала плакирующего слоя. При разности значений левой и правой частей соотношения (5) и известном значении прочности материала плакирующего слоя можно вычислить с достаточной точностью прочность сцепления слоев, т. к. увеличение площади отрыва по отношению к половине площади среза пропорционально уменьшению прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом.

Пример.

Проводили испытания по определению прочности сцепления плакирующего слоя свинца с основным материалом днища железнодорожной цистерны из Ст.3 толщиной S 26 мм.

После нанесения плакирующего слоя измерили его толщину, которая составила 10 мм. Диаметр закладного элемента 20 мм.

Найдем площадь среза слоя по формуле
F_ср=πd_o•δ
где d₀ диаметр закладного элемента;
δ толщина слоя;
F_ср 3,14^o20^o10 628 мм²
При соблюдении условия равнопрочности зоны сцепления с материалом плакирующего слоя
F*от

=0,5F_ср=0,5•628=314 мм²
Затем к закладному элементу гидравлическим домкратом приложили усилие прошивки (среза) слоя и измерили радиальную глубину его отрыва, которая составила 4,5 мм.

Диаметр кольца отрыва равен
d₁ d₀ + 4,5•2 20 + 4,5•2 29 мм
Полученная после испытаний площадь кольца отрыва составляет

Найдем соотношение площадей отрыва

Прочность свинца равна 1,2 кг/мм² (12 МПа). Прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом равна
1,2•0,95 1,14≈1,1 кг/мм² (11 МПа)
Предлагаемый способ определения прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом является ресурсосберегающим способом механических испытаний двухслойных материалов, который позволяет экономить электроэнергию за счет исключения из подготовительного цикла испытаний токарной обработки образца.

Предлагаемый способ исключает вырезку карточек из плакированного изделия или заготовки, что позволяет восстановить после испытаний работоспособность изделия и товарный вид двухслойной заготовки.

Предлагаемый способ также позволяет определить прочность сцепления слоя с основным материалом практически в любом месте изделия и заготовки без применения специальных стандартных разрывных машин.

Сущность изобретения: в основном материале до плакирования выполняют сквозное отверстие, вставляют в него закладной элемент диаметром d₀ заподлицо с плакируемой поверхностью, наносят плакирующий слой δ и прикладывают усилие к закладному элементу до разрушения среза плакирующего слоя, определяют глубину его отрыва, как расстояние l от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом, определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения d₁ = d₀ + 2l, вычисляют фактическую площадь отрыва F_от слоя. Определив площадь среза F_ср=πd_oδ, найдем соответствующую ей площадь отрыва по соотношению F*от

=0,5F_ср. Зная прочность плакирующего слоя и соотношение F*от/F_от, находит прочность сцепления слоя с основным материалом. 2 ил.

Способ определения прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом, по которому до нанесения плакирующего слоя в основном материале выполняют сквозное отверстие, вставляют в него закладной элемент с рабочим торцом, диаметром d₀ без зазора заподлицо с поверхностью контакта, наносят плакирующий слой толщиной δ, прикладывают к закладному элементу усилие, перпендикулярное поверхности контакта до обеспечения сквозного разрушения среза плакирующего слоя, определяют площадь F_cр среза из соотношения F_ср=πd_oδ и учитывают эту площадь при определении прочности сцепления, отличающийся тем, что после разрушения плакирующего слоя определяют глубину отрыва как расстояние от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом, определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения d₁=d₀+2l, вычисляют площадь F_от отрыва, о прочности соединения судят по величине отношений площади отрыва к площади среза, а за критерий равнопрочности зон отрыва и среза выбирают соотношение F_от0,5F_сp.