СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТОЛСТЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2023 года по МПК G01N19/04 

ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ ОТНОСИТСЯ К области машиностроения и может быть использовано для определения с высокой точностью адгезионно-когезионной прочности слоев листовых композиций, как металлических, так и неметаллических, полученных различными способами (прокаткой, сваркой взрывом, склеиванием, методами наплавки и др. способами), а также определения адгезионной, когезионной или смешанной адгезтонно-когезионной прочности толстых функциональных покрытий, в том числе износостойких, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных, нанесенных различными методами наплавки, напыления на различные материалы, в том числе на металлические материалы и материалы с металлической матрицей. Отличительной особенностью слоистых листовых композиций и листовых материалов с толстыми функциональными покрытиями, является высокая прочность сцепления слоев. Часто между слоями формируется переходная зона, состоящая из продуктов взаимодействия слоёв, которая отличается по химическому, фазовому составу и структурному состоянию от исходных материалов.

ИЗВЕСТЕН СПОСОБ определения адгезии пленки к подложке [патент RU№ 2421707 С1, Российская Федерация, МПК: G01N19/04, опубликован 20.06.2011 Бюл. № 17], позволяющий определять с ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ ПРОЧНОСТЬ АДГЕЗИИ ЭЛАСТИЧНЫХ ПОКРЫТИЙ на различных листовых материалах. Способ заключается в использовании образца, вырезанного из листового материала с нанесенным покрытием, в центральной части подложки которого вырезается отверстие до материала покрытия. К образцу со стороны отверстия в подложке подается рабочая среда под давлением до момента отслаивания покрытия. Площадь отслаивания покрытия определяется по диаметру купола, образующегося из него в результате отслаивания. По изменению давления среды, со стороны отверстия в подложке, и диаметру купола выполняется расчет силы сцепления покрытия с подложкой.

ОДНАКО, УКАЗАННЫЙ СПОСОБ позволяет измерять адгезионную прочность слоистых материалов с эластичными слоями и эластичных покрытий, и не применим для оценки адгезионно-когезионной прочности толстых функциональных покрытий.

ИЗВЕСТЕН СПОСОБ определения прочности сцепления покрытия с подложкой и устройство для его осуществления [патент RU№2 294 531 C1, Российская Федерация, МПК: G01N19/04, опубликован 27.02.2007 Бюл. № 8]. Способ заключается в отрыве торца штифта (конического или цилиндрического). После нанесения покрытия на поверхность матрицы с вставленным заподлицо штифтом на внешнюю сторону покрытия наносят клеевой слой, который зажимается накидной гайкой до полного смачивания клеем внутренней поверхности накидной гайки и отверждения клея. После чего прикладывают к штифту и к накидной гайке усилие отрыва. Наличие клеевого слоя большой площади снижает вероятность разрушения покрытия на срез.

ОДНАКО, В УКАЗАННОМ СПОСОБЕ предусмотрено нанесение покрытия на специально приготовленную матрицу со вставленным в нее штифтом. Способ не позволяет оценить адгезионно-когезионную прочность уже изготовленного слоистого материала или материала с уже нанесенным толстым функциональным покрытием. Изготовление специального образца, на который наносится покрытие, ограничивает возможность определения адгезионно-когезионной прочности сцепления слоистых материалов и покрытий, полученных в условиях, которые не могут быть воспроизведены на специальном образце (например, слоистые материалы и покрытия, полученные сваркой взрывом или прокаткой). Кроме того, в случае испытаний слоистых материалов и покрытий с высокой точностью на прочность сцепления слоев, разрушение клеевого слоя и разрушение покрытия на срез не позволяет дать оценку адгезионно-когезионной прочности покрытия и материала штифта.

КРОМЕ ТОГО, ИЗВЕСТЕН СПОСОБ определения адгезионной и когезионной прочностей газотермических покрытий [патент RU № 2 309 397 C1, Российская Федерация, МПК: G01N19/04, опубликован 27.10.2007 Бюл. № 30], ЯВЛЯЮЩИЙСЯ ПРОТОТИПОМ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ и ЗАКЛЮЧАЮЩИЙСЯ в выполнении образца в виде подложки и нанесенного на нее исследуемого газотермического покрытия и разрыве образца с помощью штока для определения адгезионной прочности, отличающийся тем, что подложку, выполненную с отверстием, помещают в матрицу и фиксируют крышкой с отверстием, в отверстие матрицы помещают шток с пояском так, чтобы поверхность пояска штока и подложки находились в одной плоскости, края крышки выкладывают фольгой, на поверхность подложки и пояска наносят газотермическое покрытие, высотой, равной толщине крышки, при этом выступ подложки из под крышки не должен превышать толщину покрытия, разрыв образца осуществляют в разрывной машине. Способ позволяет определить характер разрушения образца с покрытием (адгезионный, когезионный или смешанный) и ОПРЕДЕЛИТЬ С ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ прочность сцепления подложки и покрытия независимо от их толщины.

ОДНАКО, УКАЗАННЫЙ СПОСОБ предусматривает необходимость нанесения покрытия непосредственно на специально подготавливаемый для испытаний образец, что не позволяет определять адгезионно-когезионную прочность слоев уже изготовленных листовых слоистых материалов и готовых листовых заготовок с функциональными покрытиями. Изготовление специального образца, на который наносится покрытие, ограничивает возможность определения адгезионно-когезионной прочности сцепления слоистых материалов и покрытий, полученных в условиях, которые не могут быть воспроизведены на специальном образце (например, слоистые материалы и покрытия, полученные сваркой взрывом или прокаткой).

ЗАДАЧЕЙ (ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ) ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ возможность определения С ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ слоистых материалов и толстых функциональных покрытий без применения дополнительных промежуточных слоев и без необходимости изготовления слоистого материала или материала с покрытием в виде специально изготавливаемых образцов.

ПОСТАВЛЕННАЯ ЗАДАЧА ДОСТИГАЕТСЯ ТЕМ, ЧТО способ измерения адгезионно-когезионной прочности слоистых материалов и толстых функциональных покрытий заключается в том, что изготавливают образец из уже изготовленного листового слоистого материала или материала с толстым функциональным покрытием (далее, композиции), при этом для изготовления образца вырезают цилиндрическое отверстие со стороны основного материала (подложки) на глубину, превышающую толщину этого слоя и переходной зоны между слоями при наличии таковой, с целью определения адгезионной, когезионной или смешанной прочности покрытия, с другой стороны композиции или со стороны покрытия вырезают кольцевую канавку коаксиально вырезанному отверстию на глубину, превышающую толщину слоя композиции, включая толщину переходной зоны между слоями при ее наличии, с целью определения прочности сцепления покрытия с подложкой, изготавливают оснастку для проведения прочностных испытаний; проводят испытания на испытательном прессе с функцией измерения усилия и перемещений до разрушения композиции или на универсальной разрывной машине; анализируют характер разрушения и рассчитывают предел прочности композиции.

Способ применим для измерения адгезионно-когезионной прочности слоев листовых композиций, как металлических, так и неметаллических, полученных различными способами (прокаткой, сваркой взрывом, склеиванием, методами пайки, наплавки и др. способами), а также определения адгезионно-когезионной прочности толстых функциональных покрытий, в том числе износостойких, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных, нанесенных различными методами наплавки, напыления на различные материалы, в том числе на металлические материалы и материалы с металлической матрицей с высокой прочностью сцепления слоев, при этом в способом предусматривается возможность изготовления образца из готового листового слоистого материала или материала с толстым функциональным покрытием без необходимости изготовления слоистого материала или материала с покрытием в процессе подготовки образцов, а также без применения клеевых и других дополнительных промежуточных слоев.

НА ФИГ. 1. ПРИВЕДЕНЫ СХЕМЫ образцов, изготавливаемых из слоистых материалов и материалов с функциональными покрытиями, где: а) образец из двухслойной композиции без наличия переходной зоны; б) образец из двухслойной композиции с наличием переходной зоны; в) образец из пятислойной композиции для измерения адгезионно-когезионной прочности между слоями ( на рисунке показана схема образца для измерения адгезионно-когезионной прочности между третьим и четвертым слоями). Образцы могут быть изготовлены из двухслойных композиций без переходной зоны, из двухслойных композиций с наличием переходной зоны между слоями и из многослойных композиций.

НА ФИГ. 2. ПРИВЕДЕНА СХЕМА устройства, реализующего предлагаемый способ, и схема приготовленного образца из двухслойной композиции (слоистого материала, или материала с толстым функциональным покрытием) без наличия переходной зоны, где 1 - образец; 2 - основание; 3 - колонки; 4 - стакан.

НА ФИГ. 3. ПРИВЕДЕНА СХЕМА устройства, реализующего предлагаемый способ, и схема приготовленного образца из двухслойной композиции (слоистого материала, или материала с толстым функциональным покрытием) с наличием переходной зоны, где 1 - образец;2 - основание; 3 - колонки; 4 - стакан.

УСТРОЙСТВО, реализующее предлагаемый способ, по ФИГ.2 и ФИГ.3 СОДЕРЖИТ основание (2), с закрепленными в нем направляющими колонками (3) и стакан (4), перемещающийся по колонкам (3). Использование колонок (3) исключает перекос стакана (4) относительно оси отверстия и канавки образца (1) в процессе разрушения испытуемого образца.

СПОСОБ измерения адгезионно-когезионной прочности слоистых материалов и толстых функциональных покрытий ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:

- изготавливают образец из слоистого материала или из материала с нанесенным на него покрытием толщиной не менее 0,5 мм (способ формирования покрытия может быть любым);

- изготавливают оснастку для проведения прочностных испытаний;

- проводят испытания на испытательном прессе или разрывной машине с функцией измерения усилия и перемещений до разрушения композиции;

- анализируют характер разрушения (адгезионное, когезионное, смешанное) и расчет предела прочности композиции.

Изготовление образца из слоистого материала или образца из листового металла (сплава) с нанесенным на его поверхность покрытием включает в себя следующие операции:

- вырезание с одной стороны композиции цилиндрического отверстия на глубину больше толщины этого слоя композиции на величину, превышающую толщину переходной зоны между слоями при наличии таковой, с целью определения адгезионной, когезионной или смешанной прочности покрытия отверстие вырезается со стороны основного материала (подложки) на глубину, превышающую толщину подложки;

- вырезание кольцевой канавки с другой стороны композиции коаксиально вырезанному отверстию на глубину, превышающую толщину слоя композиции, включая толщину переходной зоны между слоями при ее наличии, с целью определения прочности сцепления покрытия с подложкой кольцевая канавка вырезается со стороны покрытия на глубину, превышающую толщину покрытия и толщину переходной зоны при наличии таковой. Цилиндрическое отверстие и кольцевая канавка могут быть получены с использованием алмазных трубчатых сверл или электроискровым методом в случае металлического материала.

Устройство по ФИГ.2 и ФИГ.3 для проведения прочностных испытаний предполагает наличие следующих изделий:

- основания (2), на которое устанавливается образец (1) цилиндрическим отверстием; в основании закреплены цилиндрические направляющие колонки (3);

- стакана (4), вставляемого в кольцевую канавку; стакан (4) имеет отверстия для перемещения в вертикальном направлении по колонкам (3); наличие колонок позволяет исключить потерю соосности (устойчивости) цилиндрических поверхностей основания, стакана и образца во время испытаний.

Проведение испытаний сжатием на испытательном прессе с функцией измерения усилия сжатия и перемещений или сжатием на универсальной разрывной машине до разрушения композиции предусматривает:

- установку и закрепление основания (2) на нижней плите испытательного пресса;

- установку стакана (4), одетого на кольцевую канавку образца (1);

- нагружение плит испытательного пресса сжатием стакана (4) и основания (2) до разрушения композиции;

- качественный анализ разрушения образца (1), заключающийся в оценке наличия или отсутствия на изломах испытуемого образца одновременно двух материалов композиции (в случае испытания покрытий - наличия или отсутствие основного материала и материала покрытия); при межслойном разрушении композиции без наличия переходной зоны между слоями оценивается адгезионная прочность; при разрушении композиции по переходной зоне, при ее наличии, оценивается прочность переходной зоны; при разрушении по материалу одного или обоих слоев композиции одновременно оценивается когезионная прочность композиции; при наличии одновременно межслойного разрушения и по материалу слоев оценивается адгезионно-когезионная (смешанная) прочность соединения;

- расчет предела прочности композиции, заключающийся в определении результата отношения максимальной величины силы перед разрушением к площади кольцевого сегмента, расположенного между отверстием под основание снизу образца и внутренним диаметром кольцевой канавки сверху образца. Если стакан не прикреплен к верхней плите пресса, масса стакана должна быть учтена при определении силы разрушения.

Способ измерения адгезионно-когезионной прочности с высокой точностью слоев листовых композиций, как металлических, так и неметаллических, полученных различными способами (прокаткой, сваркой взрывом, склеиванием, методами пайки, наплавки и др. способами), а также определения адгезионно-когезионной прочности толстых функциональных покрытий, в том числе износостойких, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных, нанесенных различными методами наплавки, напыления на различные материалы, в том числе на металлические материалы и материалы с металлической матрицей, с высокой прочностью сцепления слоев, таким образом предусматривает:

- изготовление образца из готового листового слоистого материала или материала с толстым функциональным покрытием без необходимости изготовления специального образца, на который наносится покрытие;

- схему нагружения образцов сжатием, обеспечивающую растягивающие напряжения в зоне сопряжения слоев, включая переходную зону (если такая зона имеется), имеющую химический и фазовый состав отличный от состава слоев композиции;

- возможность измерения адгезионно-когезионной прочности между любыми смежными слоями многослойных композиций.

Преимуществом предлагаемого способа измерения адгезионно-когезионной прочности соединения слоев слоистого материала или покрытий с подложками является использование готовых слоистых материалов или материалов с покрытиями для изготовления образцов для испытаний, предложенная схема нагружения образцов сжатием предусматривает наличие растягивающих напряжений в зоне сопряжения слоев, включая переходную зону (если такая имеется), имеющую химический и фазовый состав отличный от состава слоев композиции.

ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ предлагаемого способа оценки адгезионно-когезионной прочности слоистых материалов и толстых функциональных покрытий в отличие от прототипа является:

1) возможность использования готовых слоистых материалов или материалов с толстыми функциональными покрытиями для изготовления образцов для испытаний;

2) предложенная схема нагружения образцов сжатием предусматривает наличие растягивающих напряжений в зоне сопряжения слоев, включая переходную зону (если такая имеется), имеющую химический и фазовый состав отличный от состава слоев композиции;

3) способ позволяет измерять адгезионно-когезионную прочность между любыми смежными слоями многослойных композиций.

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для определения с высокой точностью адгезионно-когезионной прочности слоев листовых композиций и толстых функциональных покрытий. Способ заключается в том, что изготавливают образец из листового слоистого материала или материала с толстым функциональным покрытием, для изготовления образца вырезают с одной стороны композиции цилиндрическое отверстие на глубину больше толщины этого слоя композиции на величину, превышающую толщину переходной зоны между слоями при наличии таковой. При этом отверстие вырезают со стороны основного материала на глубину, превышающую толщину основного материала, вырезают кольцевую канавку с другой стороны композиции коаксиально вырезанному отверстию на глубину, превышающую толщину слоя композиции, включая толщину переходной зоны между слоями при ее наличии. При этом кольцевую канавку вырезают со стороны покрытия на глубину, превышающую толщину покрытия и толщину переходной зоны при наличии таковой. Проводят испытания на испытательном прессе с функцией измерения усилия и перемещений или на универсальной разрывной машине до разрушения композиции; анализируют характер разрушения и рассчитывают предел прочности композиции. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения с высокой точностью адгезионно-когезионной прочности слоистых материалов и толстых функциональных покрытий. 3 ил.

Способ измерения адгезионно-когезионной прочности слоистых материалов и толстых функциональных покрытий, заключающийся в том, что изготавливают образец из листового слоистого материала или материала с толстым функциональным покрытием, отличающийся тем что, для изготовления образца вырезают с одной стороны композиции цилиндрическое отверстие на глубину больше толщины этого слоя композиции на величину, превышающую толщину переходной зоны между слоями при наличии таковой, при этом отверстие вырезают со стороны основного материала на глубину, превышающую толщину подложки с целью определения адгезионной, когезионной или смешанной прочности покрытия, вырезают кольцевую канавку с другой стороны композиции коаксиально вырезанному отверстию на глубину, превышающую толщину слоя композиции, включая толщину переходной зоны между слоями при ее наличии, при этом кольцевую канавку вырезают со стороны покрытия на глубину, превышающую толщину покрытия и толщину переходной зоны при наличии таковой с целью определения прочности сцепления покрытия с подложкой, изготавливают оснастку для проведения прочностных испытаний; проводят испытания на испытательном прессе с функцией измерения усилия и перемещений или на универсальной разрывной машине до разрушения композиции; анализируют характер разрушения и рассчитывают предел прочности композиции.