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

Изобретение относится к плакированию, напылению и 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 нм/м² (40 кг/мм²).

Известен способ определения прочности сцепления слоев при механических испытаниях двухслойных сталей, предусматривающий изготовление образцов цилиндрической формы и их испытание на разрывной машине. Однако эти испытания можно применять только для листов с толщиной плакирующего слоя больше 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 отбраковываются большие участки 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 коррозионностойкие стали. М."Металлург", 1970, с.154).

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

Образцы для испытаний по АSТМ 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 способа является то, что к испытанию допускаются образцы, у которых сопротивление на срез между основным и плакирующим слоями не менее 140 Мн/м² (14,06 кг/мм²); в отечественных ТУ и ГОСТ 10886-64 150 Мн/м² (15 кг/мм²).

Вместе с этим, недостатком также является большая трудоемкость изготовления образца 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 (авторское свидетельство СССР N 1222467, кл. В23К 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 слоев.

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

Вместе с этим, недостатком является большая материалоемкость образцов, необходимость отбраковки больших площадей биметаллических заготовок, а также полная потеря работоспособности изделия после проведения испытаний.

Наиболее близким к изобретению является способ механических испытаний образцов с кольцевыми пазами (Информация ЦНИИЧм, 1962, 9, N 8). По этому способу производят сверление отверстия со стороны основного металла 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 соединения.

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

Необходимо отметить, что известные способы определения прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом включают обязательное использование стандартных разрывных машин.

Цель изобретения снижение трудоемкости подготовительного цикла испытания и полное восстановление работоспособности изделия или заготовки после испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом до нанесения плакирующего слоя в основном материале выполняют отверстие, устанавливают в отверстии без зазора закладной элемент диаметром d₀ таким образом, что его торцовая поверхность размещена заподлицо с плакируемой поверхностью основного материала, наносят плакирующий слой толщиной δ, прикладывают к закладному элементу усилие, перпендикулярное поверхности сцепления, до обеспечения разрушения среза плакирующего слоя над закладным элементом, определяют площадь среза F_ср из соотношения F_ср=πd_oδ и учитывают площадь среза при определении прочности сцепления, при этом отверстие выполняют глухим со стороны плакирующего слоя, используют закладной элемент в виде шайбы диаметром d₀ с цилиндрическим хвостовиком, устанавливают закладной элемент таким образом, что заподлицо с плакируемой поверхностью размещен плоский торец шайбы, сопряженный с хвостовиком, после нанесения плакирующего слоя фиксируют его часть над шайбой посредством втулки, которую устанавливают на хвостовик закладного элемента, после разрушения плакирующего покрытия измеряют глубину отрыва как расстояние l от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом, определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения d₁ 2l + d₀, вычисляют площадь отрыва F_от=πl(l+d_o), а о прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом судят по величине отношения площади отрыва к площади среза, а за критерий равнопрочности зоны отрыва и зоны среза выбирают соотношение F_от 0,5 F_ср.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предварительная заделка закладного элемента в глухое отверстие, произведенное в изделии или заготовке, позволяет исключить трудоемкую операцию вырезки из них карточки и последующего изготовления из нее образцов для механических испытаний, а также позволяет производить после испытаний полное восстановление работоспособности и товарного вида изделия или заготовки. По соотношению площадей среза и отрыва нанесенного слоя в предлагаемом изобретении определяют прочность его сцепления с основным материалом.

Сущность способа поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема заделки закладного элемента, на фиг.2 схема фиксации нанесенного слоя над закладным элементом до приложения усилия среза слоя, на фиг.3 схема разрушения плакирующего слоя после испытания.

Способ осуществляют следующим образом. В основном материале 1 до нанесения покрытия 2 производят глухое отверстие и вставляют в него закладной элемент 3 с шайбой 4 и пробкой 5.

Кольцевую поверхность шайбы располагают на уровне плакируемой поверхности и плакируют вместе с ней. Высоту выступа закладного элемента над плакируемой поверхностью устанавливают равной толщине плакирующего слоя или с небольшим превышением ее.

После нанесения слоя пробку удаляют и в центральном сквозном отверстии закладного элемента закрепляют шток 6, в котором имеется канал 7 для исключения перепада давлений воздуха в процессе закрепления штока в отверстии и приложения усилия среза плакирующего слоя. При закреплении штока часть плакирующего слоя, расположенного над шайбой закладного элемента, фиксируют втулкой 8, внешний диаметр которой равен диаметру эакладного элемента. Затем к штоку прикладывают усилие среза плакирующего слоя и с помощью гибкой металлической линейки измеряют глубину отрыва плакирующего слоя l расстояние от края отверстия до линии сцепления слоя с основным материалом. Измеренную глубину отрыва плакирующего слоя удваивают и суммируют с диаметром закладного элемента d₀. Этим определяют размер d₁ 2l + d₀ (фиг.3), необходимый для вычисления площади кольцевой поверхности отрыва плакирующего слоя. Площадь его среза определяют как произведение длины окружности закладного элемента на толщину плакирующего слоя

Прочность сцепления нанесенного слоя с основным материалом определяют по соотношению площадей среза и отрыва.

Методика определения прочности сцепления слоев по соотношению площадей среза и отрыва основывается 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 эквивалентны 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. Матвеев В. В. Отв.ред. Писаренко Г.С. 2 изд. перераб. и доп. Киев, Наукова думка, 1988, с.198).

Представим соотношение (2) в виде

где P_max максимальное усилие среза или отрыва,
F_от площадь отрыва плакирующего слоя от основного материала,
F_ср площадь среза слоя.

Таким образом, по соотношению площадей среза и отрыва можно оценить прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом.

1. Если выполняется соотношение (5), то прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом равна прочности материала плакирующего слоя.

2. Правая часть соотношения (5) при испытании есть величина постоянная, т. к. F_ср определяется как произведение длины окружности (параметра) закладного элемента на толщину плакирующего слоя.

Увеличение числового значения площади отрыва (F_от) по отношению к числу в правой части соотношения (5) показывает на снижение прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом.

Разность значений левой и правой частей соотношения (5) можно выразить в процентах и соответственно вычислить прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом, т.к. увеличение площади отрыва по отношению к площади среза пропорционально уменьшению прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом.

Пример.

Проводили испытания по определению прочности сцепления плакирующего слоя с основным материалом железнодорожной цистерны из ст.3 с толщиной стенки 26 мм.

После нанесения плакирующего слоя в закладной элемент ввернули шток и зафиксировали часть плакирующего слоя, расположенного над закладным элементом. Затем с помощью гидравлического домкрата приложили к штоку усилие среза слоя. Радиальная глубина отрыва равна 4,5 мм.

Диаметр закладного элемента 20 мм.

Толщина плакирующего слоя 10 мм.

Найдем площадь по формуле F_ср=πd_oS,
где d₀ диаметр закладного элемента,
S толщина слоя.

F_ср 3,14•20•10 628 мм
Найдем площадь отрыва.

Диаметр отрыва равен d₁ d₀ + 2• 4,5 29 мм.

Площадь кольца отрыва составляет

При соблюдении условия равнопрочности зоны сцепления с материалом плакирующего слоя
F_от 0,5•F_ср 0,5•628 314 мм²
В нашем случае F_от 330 мм².

Найдем соотношение площадей
.

Прочность свинца равна 1,2 кг/мм². Найдем прочность сцепления плакирующего слоя с основным материалом
1,2•0,95 1,14 ≈ 1,1 кг/мм².

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 образцов.

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

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

Сущность изобретения: в основном материале выполняют отверстия до нанесения плакирующего слоя, устанавливают в отверстии без зазора закладной элемент диаметром d₀. Торцовую поверхность закладного элемента размещают заподлицо с плакируемой поверхностью основного материала, затем наносят плакирующий слой толщиной δ,, прикладывают к закладному элементу усилие, перпендикулярное поверхности сцепления, до обеспечения разрушения среза плакирующего слоя под закладным элементом, определяют площадь среза F_ср из соотношения F_ср=πd_oδ и определяют прочность сцепления с ее учетом. Отверстие со стороны плакирующего слоя выполняют глухим, закладной элемент используют в виде шайбы диаметром d₀ с цилиндрическим хвостовиком и устанавливают так, что плоский торец шайбы, сопряженный с хвостовиком, размещают заподлицо с плакируемой поверхностью. Фиксируют часть плакирующего слоя под шайбой посредством втулки, устанавливая ее на хвостовик закладного элемента. После разрушения плакирующего слоя измеряют глубину отрыва как расстояние l от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом. Определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения d₁ = 2l+d₀, вычисляют площадь отрыва F_от из соотношения F_от=πl(l+d_o). О прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом судят по величине отношения площади отрыва к площади среза, а за критерием равнопрочности зоны отрыва и зоны среза выбирают соотношение F_от = 0,5F_ср. 3 ил.

Способ определения прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом, по которому до нанесения плакирующего слоя в основном материале выполняют отверстие, устанавливают в отверстии без зазора закладной элемент диаметром d₀ так, что его торцевая поверхность размещена заподлицо с плакируемой поверхностью основного материала, наносят плакирующий слой толщиной δ, прикладывают к закладному элементу усилие, перпендикулярное поверхности сцепления до обеспечения разрушения среза плакирующего слоя над закладным элементом, определяют площадь среза F_с р из соотношения F_ср=πd_oδ и учитывают площадь среза при определении прочности сцепления, отличающийся тем, что отверстие выполняют глухим со стороны плакирующего слоя, используют закладной элемент в виде шайбы диаметром d₀ с цилиндрическим хвостовиком, устанавливают закладной элемент таким образом, что заподлицо с плакируемой поверхностью размещен плоский торец шайбы, сопряженный с хвостовиком, после нанесения плакирующего слоя фиксируют его часть над шайбой посредством втулки, которую устанавливают на хвостовик закладного элемента, после разрушения плакирующего слоя измеряют глубину отрыва как расстояние l от края отверстия до линии сцепления плакирующего слоя с основным материалом, определяют диаметр d₁ этой линии из соотношения
d₁ 2l + d₀,
вычисляют площадь отрыва F_о т из соотношения
F_от=πl(l+d_o),
а о прочности сцепления нанесенного слоя с основным материалом судят по величине отношения площади отрыва к площади среза, за критерий равнопрочности зоны отрыва и зоны среза выбирают соотношение F_от 0,5 F_ср.