Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время практически на все элементы машиностроительных конструкций из металлов наносятся различные покрытия. Это обусловлено хорошими защитными антикоррозионными характеристиками большинства покрытий, а также их декоративными свойствами. Сочетание металлической основы и покрытия обеспечивает конструкции в целом прочность и необходимые функциональные свойства. Наиболее широкое применение различные типы покрытий нашли и в области, где конструкции подвержены сильному влиянию внешней среды, сопровождающемуся коррозионными процессами, агрессивными воздействиями различного характера: в судостроении, авиационной и автомобильной промышленности.
Рекомендации по выбору различных типов покрытий для каждой отрасли промышленности различны и зависят от условий эксплуатации самих конструкций. Основной целью при выборе покрытия во всех случаях является защита материала конструкции. Для некоторых отраслей, например, аэрокосмической, к этой цели добавляется еще и повышение прочности, а также снижение веса конструкции. В этих случаях при оценке работоспособности конструкции необходимо учитывать механические свойства покрытия, влияние покрытия на прочностные характеристики и массу конструкции, а также изменение механических свойств металлов при проведении термообработки в технологическом процессе нанесения покрытия.
Для оптимального выбора типа покрыли и прогнозирования работоспособности проектируемых деталей и конструкций в условиях эксплуатации необходимо знать физико-механические свойства покрытий и, в первую очередь, его упругие характеристики. Тем не менее, в настоящее время не существуют надежные стандартные методы оценки модуля упругости и коэффициента Пуассона покрытий.
До настоящего времени механические свойства покрытий оценивались по
результатам измерений их микротвердости. С одной стороны методы,
основанные на традиционных испытаниях на вдавливание индентеров различной формы, просты и удобны. С другой - эти методы не дают достоверных значений упругих характеристик. Большие погрешности в этих случаях обусловлены влиянием свойств субстрата на результаты измерений микротвердости покрытий, а также существенная зависимость получаемых оценок от режима испытания, в частности, от глубины вдавливания.
Для исключения влияния субстрата на результаты оценки механических свойств покрытий необходимо, чтобы глубина вдавливания индентора не превышала 0,1 толщины покрытия. Такой режим испытаний позволяют реализовать методы наноиндентирования и новые методы представления результатов, основанные на численной обработке экспериментальных данных. К настоящему времени методы наноиндентирования и оборудование для их реализации доведены до широкого использования и являются относительно доступным способом оценки механических свойств покрытий различной природы. Тем не менее, следует отметить, что методы наноиндентирования также дают приближенные оценки упругих характеристик покрытий. Источниками ошибок являются малые значения измеряемых величин и применение для их измерения косвенных методов, приводящих к дополнительным погрешностям. Кроме того, значения модуля упругости, получаемые при наноиндентировании зависят от параметров нагружения.
В связи с этим представляется целесообразным использовать для определения упругих свойств покрытий данные механических испытаний специальных образцов - полос с исследуемыми покрытиями. В этом случае для изучения свойств покрытий необходимо стандартное оборудование для механических испытаний материалов, а обработка экспериментальных данных сводится к использованию простых формул, основанных на решениях задач о растяжении и изгибе трехслойных брусьев.
Целью диссертационной работы является разработка методов
определения механических характеристик порошковых полимерных покрытий,
нанесенных на поверхности образцов листовой стали 08ПС.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
-
Разработка методов определения модуля упругости многослойного полимерного покрытия по результатам испытаний на растяжение и четырехточечный изгиб металлических образцов с покрытиями,
-
Проведение испытаний образцов-полос листовой стали 08ПС с порошковыми полимерными покрытиями,
-
Численное моделирование процесса нагружения трехслойных стальных образцов в процессе механических испытаний и разработка методов определения коэффициента Пуассона порошковых покрытий,
-
Разработка уточненных методов определения механических характеристик многослойного полимерного покрытия с использованием моделей с учетом поверхностных эффектов.
Научная новизна состоит в разработке новых методов определения упругих характеристик полимерных покрытий с использованием решений задач о растяжении и изгибе трехслойных полос, данных стандартных испытаний на растяжение и изгиб образцов с покрытиями и результатов численного моделирования процесса изгиба и растяжения трехслойных образцов.
Новые научные результаты данной работы состоят в следующем:
-
Разработаны методы определения модуля упругости многослойного полимерного покрытия по результатам испытаний па растяжение и четырехточечный изгиб металлических образцов с покрытиями,
-
Разработан метод определения коэффициента Пуассона многослойного полимерного покрытия, основанный на сопоставлении результатов испытаний с данными численного моделирования,
-
Разработаны методы уточнённого моделирования механических свойств образцов с многослойными полимерными покрытиями в рамках модели с учётом поверхностных эффектов.
-
Предложено теоретическое обоснование зависимости модуля Юнга
пластин с покрытиями от типа нагружения (дано объяснение различия
значений модуля Юнга пластин с покрытиями в испытаниях на растяжение и на изгиб).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием представлений, не противоречащих основным положениям механики деформируемого твердого тела и теории упругости, применением апробированных программных комплексов для численного моделирования, применением рекомендованных методов статической обработки экспериментальных данных.
Практическая ценность и применение результатов: разработанные методы определения упругих характеристик полимерных покрытий могут быть легко реализованы в практике контроля свойств и качества покрытий элементов конструкций в условиях производства.
Результаты диссертационной работы внедрены в расчётную практику заинтересованного предприятия, что подтверждено актом внедрения от организаций ЗАО «ВСТ-Спецтехника», г. Москва, 2011 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на следующих научных форумах: 1. П
Всероссийская студенческая научно-техническая школа-семинар
«Аэрокосмическая декада», Алушта (2009 г.). 2. I Всероссийская научно-техническая школа-семинар «Компьютерный инжиниринг в промышленности и вузах», Москва (2009 г.). 3. Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», Москва (2010 г.). 4. 9-ая Международная конференция «Авиация и космонавтика», Москва (2010 г.). 5. Всероссийская конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред». Москва (2010 г.). 6. Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург (2010 г.). 7. XVII Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова, Ярополец (2011
г.). 8. Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные
материалы и технологии в машиностроительном производстве», Орск (2011 г.). 9. Международная научно-техническая конференция «Полимерные композиты и трибология», Гомель (2011 г.). 10. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Нижний Новгород (2011 г.). П. XXIV Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», Санкт-Петербург (2011 г.). 12. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, г. Москва, 2011 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, включая 3 статьи, входящих в перечень ведущих рецегоируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.
Объем диссертации: 128 страниц. В диссертации 25 рисунков, 13 таблиц. Список используемой литературы включает 102 наименования.
Благодарности: автор выражает благодарность д.т.н. Зезину Ю.П., к.т.н., доц. Мартиросову М.И. за консультации и помощь в работе.
