Спосіб визначення структурних і температурних складових залишкових напружень в покриттях

Спосіб визначення структурних і температурних складових залишкових напружень в покриттях, що включає реєстрацію параметра відхилення зразка від прямолінійного положення і визначення залишкових напружень, який відрізняється тим, що як параметр відхилення від ЗАЛИШКОВИХ 3 28383 Найбільш близький до запропонованого способу за сукупністю ознак є відомий спосіб визначення залишкових напружень в покриттях за [а. с. СССР №1805307А1, кл. G01L1/00, Опубл. 30.03.1993 Бюл. №12], суть якого полягає в видаленні з полосової заготовки досліджуваного зразка, визначенні параметра кривизни відхилення від прямолінійного положення і визначенні величини залишкових напружень за формулою з урахуванням модуля пружності та коефіцієнта Пуасона матеріала основи. Недоліками цього способу є те, що необхідно вирізати зразок з полоси, внаслідок чого відбувається перерозподіл залишкових напружень і знижується точність їх визначення, а також неможливість встановити величини структурних і температурних складових залишкових напружень в покриттях. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити спосіб визначення залишкових напружень в покриттях шляхом вимірювання параметра відхилення зразка від прямолінійного положення в холодному стані, потім при температурі нанесення покриття, визначенні величин залишкових напружень в покриттях та їх структурних і температурних складових. Поставлена задача вирішується тим, що для одержання значень залишкових напружень в покриттях, як параметри відхилення від прямолінійного положення досліджуваного зразка довжиною а, вибирають прогини зразка f, які визначають в холодному стані f1, а потім, при температурі нанесення покриття f2, визначають величину залишкових напружень sзал в покритті для f1, визначають величину структурної складової залишкових напружень для f2, знаходять величину температурної складової залишкових напружень, як різницю між sзал для f1 та для f2. На фігурі представлено креслення, що пояснює суть корисної моделі. Сутність способу полягає в тому, що після нанесення на зразок 1 у формі балки товщиною Н0 покриття 2 товщиною hn, при умові самоврівноваження залишкових напружень, зразок 1 під дією неврівноважених залишкових напружень деформується, приймаючи криволінійну форму. Виникнення залишкових напружень в покритті 2 може бути обумовлено різницею температурних коефіцієнтів розширення матеріалів покриття 2 і основи 1, наявністю атомів газу, які захоплені в процесі нанесення та неповним структурним упорядкуванням в покритті при формуванні останнього; "заморожуванням" дефектів решітки при конденсації; утворенням на поверхні розділу системи "основа-покриття" проміжних фаз, що обумовлено взаємною дифузією. Тобто, залишкові напруження в покритті можна поділити на структурні та температурні. Для визначення величин залишкових напружень використовують рівняння пружної лінії для балки s зал = п 32 E o H 3 f o 3a h n (1 - n o )(2H o + h n ) 2 , (1) 4 де Ео, n0 - модуль пружності основи першого роду і коефіцієнт Пуасона матеріалу основи; Но, hn - товщини основи та покриття; f - прогин зразка. Формула (1) дозволяє за відомими величинами Е0, 2Н0, n0, hn і визначеній величині f ' .. визначити залишкові напруження s V а e в покритті. ї При цьому приймаємо, що залишкові напруження у тонкому покритті (наприклад, вакуумплазмовому) постійні по товщині. Вимірявши прогин f1 після нанесення покриття і охолодження зразка з покриттям, визначаємо величину загальних залишкових напружень. Після цього нагріваємо зразок до температури нанесення покриття, у цьому стані вимірюємо прогин f2 і згідно з ним визначаємо величину структурних залишкових напружень. Різниця між значеннями загальних та структурних залишкових напружень становить величину температурних залишкових напружень. Наприклад: На зразок із швидкорізальної сталі Р6М5 (Е0 = 220ГПа, n0 = 0,29) товщиною (2H0 = 0,5мм), шириною (b = 5мм) і довжиною (а = 120мм) на одну із сторін наносили вакуум-плазмове покриття TiN. Після нанесення покриття під дією залишкових напружень зразок приймав криволінійну форму. На Фіг.1 зображено зразок після нанесення на нього покриття товщиною (1 - основа, 2 покриття). Вимірювання прогину зразка з товщиною покриття TiN (hn = 6мкм), дало f1 = 2,8мм, що відповідає загальним залишковим напруженням ' .. s V а e = (-2,6)ГПа . ї Нагрівання зразка до температури нанесення покриття (480°С) спричиняє зменшення прогину до величини f1 = 1,8мм. Цей прогин відповідає структурним залишковим напруженням ' .. s V а `e = їc o (- 1,7 )ГПа . Різниця між значеннями загальних та структурних залишкових напружень відображає складову залишкових напружень ' .. = sV а e ` їo (- 0,9 )ГПа , обумовлених різницею температурних коефіцієнтів розширення матеріалів покриття і основи. Запропонований спосіб визначення залишкових напружень в покриттях дозволяє: визначити величини загальних залишкових напружень в тонких покриттях незалежно від методів формування покриттів; виділити структурну і температурну складові залишкових напружень в покриттях різної природи (металеві, керамічні, полімерні, композитні тощо). Таким чином, спосіб, що заявляється, дозволяє визначити загальні залишкові напруження в покриттях, а також їх структурну і температурну складові, що можна вважати достатнім для практичного використання. Джерела інформації: Аналоги - Козлов М.Л., Подстригач И.Я К вопросу об определении остаточных напряжений 5 методом отверстия // Остаточные технологические напряжения. - Тр 2 Всесоюзного симпозиума. - М.: 1985 - С.198-204. - Спосіб і пристрій для визначення залишкових поверхневих напружень. РФ №2282164 С1, кл. G01L 1/00, Опубл. 20.08.2006 Бюл. №23 Прототип - Способ нанесения износостойких покрытий. Авторское свидетельство СССР №1805307 А1, кл. G01L 1/00, Опубл 30.03.1993 Бюл. №12. 28383 6