Спосіб визначення модуля пружності покриття

Спосіб визначення модуля пружності покриття, який полягає в тому, що виконують вимірювання геометричних розмірів досліджуваного зразка до нанесення покриття, а потім збуджують резонансні згинальні коливання і вимірюють резонансну частоту, який відрізняється тим, що додатково перед збудженням резонансних згинальних коливань виконують шліфування і полірування зовнішнього шару нанесеного покриття, а потім вимірюють геометричні розміри Винахід відноситься до галузі техніки вимірювань, а саме до способу визначення модуля пружності покриття і може бути використаний в інженерних розрахунках практично в усіх галузях техніки Відомий спосіб визначення модуля пружності матеріалів (Писаренко Г С , Яковлев А П , Матвеев В В Справочник по сопротивлению материалов К Наукова думка, 1988 -136с ) Спосіб включає вимір геометричних розмірів циліндричного зразка (розрахункова довжина і діаметр) до і після розтягування, визначення напруження на ДІЛЯНЦІ пружної деформації, визначення деформації і визначення модуля пружності із співвідношення Е= — tq a, s Де а = - напруження, створюване при розтягуванні зразка навантаженням р на площі поперечного перерізу зразка Fo, А£ - відносна деформація зразка, А£ біметалевого з'єднання і, крім того, визначають положення головних центральних осей зразка з покриттям, жорсткість зразка і погонну масу зразка з покриттям, а модуль пружності покриття визначають із співвідношення 47i2f2m*|а - E 00 J 0 J де Еп - модуль пружності покриття, f - власна частота зразка з покриттям, a =1,875-const, * m - погонна маса зразка з покриттям, І - довжина зразка, Jo - момент інерції зразка без покриття, ^]Jn - сума моментів інерції покриття щодо поперечної головної центральної осі U подовження зразка, ° - первісна довжина зразка Однак відомий спосіб призначений для визначення модуля пружності тільки конструкційного матеріалу без захисного покриття і при одноосьовому розтягуванні Суттєвим недоліком відомого способу є те, що він зовсім не дозволяє визначати модуль пружності покриття в біметалевих з'єднаннях ні статичним, ні динамічним методом Відомий також спосіб дослідження динамічних характеристик в'язко-пружних матеріалів (а с №557292 СССР, МПК G01N3/00 Способ исследования динамических характеристик вязкоупругих материалов/ Морозова И Н , Рибак С А (СССР) №2159011/28, Заявлено 25 07 75, Опубл 05 05 77, Бюл №17-С 138139), що найбільш близький до рішення, що заявляється і який прийнятий нами як прототип Відомий спосіб полягає в тому, що в досліджуваному тришаровому зразку, товщина досліджуваного середнього шару якого повинна бути не більше 0,1 від товщини крайніх шарів, вимірюють геометричні розміри, збуджують резонансні згинні О 00 (О 00 ю 58680 коливання і вимірюють резонансну частоту Потім збуджують резонансні згинні коливання однорідного зразка, що має ті ж геометричні параметри, що і тришаровий, і виконаний з того ж матеріалу, що і крайні шари тришарового зразка, і вимірюють резонансну частоту Потім визначають хвильове число для однорідного зразка, а модуль пружності досліджуваного зразка визначають за формулою G = Де соэ = coJi + іті - комплексна резонансна частота тришарового зразка, со - резонансна частота тришарового зразка, отримана з експерименту, г| - коефіцієнт втрат тришарового зразка, к- хвильове число одношарового зразка, тії - товщина крайнього шару тришарового зразка, г|2 - товщина досліджуваного середнього шару тришарового зразка, УіЕі hi - розмірний коефіцієнт, Е| - модуль Юнга матеріалу крайнього шару, і— д1 = З 1 - згинна жорсткість матеріалу край нього шару, mi = p1 hi - маса матеріалу крайнього шару, р1 - ЩІЛЬНІСТЬ матеріалу крайнього шару За допомогою відомого способу можна вимірювати модуль пружності тільки в середньому шарі, а це не завжди допустимо в техніці, тому що найчастіше необхідно вимірювати модуль пружності тільки в поверхневому шарі, наприклад при нанесенні на вироби покрить і для тривалої експлуатації яких необхідно вимірювати модуль пружності саме в покритті Крім того, відомий спосіб не дає високої точності вимірів Суттєвим недоліком відомого способу є також те, що товщина досліджуваного середнього шару повинна бути не більше 0,1 від товщини крайніх шарів, тобто за товщиною середній шар і крайні шари практично однакові У той же час при виробництві реальних деталей середній шар набагато перевищує товщину крайніх шарів Так, наприклад, при ремонті деталей склоформуючого інструменту методами газопламенного наплавлення чи плазмового напилювання при товщині стінки деталі (середній шар) 10-20 мм товщина покриття не перевищує 1,0 мм Деталь, як правило, виготовляють із нелегованих чи легованих чавунів, а покриття наносять сплавом на нікелевій основі У процесі експлуатації під впливом механічних і термоциклічних навантажень, через різні модулі пружності основного металу і покриття відбувається руйнування і відшарування покриття і зниження терміну експлуатації всієї деталі Як уже було відзначено, відомий спосіб не дозволяє визначати модуль пружності в покритті, що ускладнює вибір покриття з модулем пружності найбільш близьким до основного металу Крім того, додаткові порушення резонансних коливань в однорідному зразку і визначення хвильового числа ускладнюють застосування відомого способу в інженерній практиці і призводять до зниження точності одержуваних результатів А це викликає великі ускладнення при розрахунках, для яких необхідно одержувати результати з високою точністю, наприклад, при розрахунках лопаток турбін в авіаційному машинобудуванні Після нанесення покриття його ЗОВНІШНІЙ шар має досить велику жорсткість При визначенні модуля пружності, тим більше динамічним способом, це впливає на точність одержуваних результатів Результати наукових досліджень останніх років (Сопротивление деформированию и разрушению /Трощенко В Г , Красовский А Я , Покровский В В и др Справочное пособие Т 2-К Наукова думка, 1994-С 210-236) показують, що стан поверхні матеріалів суттєво впливає на опір матеріалів руйнуванню У той же час відомий спосіб не враховує такого важливого фактору, як стан поверхні, що, безумовно, знижує точність результатів з визначення опірності матеріалів руйнуванню Слід також зазначити, що у відомому рішенні обумовлений модуль пружності G характеризує опірність матеріалу пружній деформації при зсуві У той час як модуль пружності Е характеризує опірність матеріалу пружній деформації при розтягуванні Таким чином, величини G і Е є різними величинами, тому що характеризують опірність матеріалу при різних видах деформацій З критики аналога і прототипу випливає завдання створення такого способу, який би забезпечував визначення модуля пружності динамічним способом безпосередньо в покритті Поставлене завдання вирішується таким чином, що в способі, згідно з яким вимірюють геометричні розміри досліджуваного зразка до і після нанесення покриття, а потім збуджують резонансні згальні коливання і вимірюють резонансну частоту, додатково, перед збудженням резонансних згальних коливань, роблять шліфування, а потім полірування зовнішнього шару нанесеного покриття, а затим вимірюють геометричні розміри біметалевого з'єднання і, крім того, визначають положення головних центральних осей, сумарну жорсткість і погонну масу біметалевого з'єднання і визначають модуль пружності покриття із співвідношення 20 де Еп - модуль пружності покриття, f - власна частота зразка з покриттям, а = 1,875 5=const - корінь рівняння частот згинних коливань, т * - погонна маса зразка з покриттям (біметалевого з'єднання), ^ - довжина зразка, Jo - момент інерції зразка без покриття, ^ ] J n - сума моментів інерції покриття щодо поперечної головної центральної осі U Сукупність відомих і нових технологічних прийомів, які заявляються і ПОСЛІДОВНІСТЬ їх виконання 58680 спричиняють виникнення нового технічного результату - визначення динамічним способом модуля пружності покриття На фіг 1 подана розрахункова схема у вигляді зразка з нанесеним з 2 сторін покриттям Спосіб визначення, модуля пружності в покритті, який заявляється, реалізується наступним чином вимірюють геометричні розміри зразка 1 до нанесення покриття Потім наносять захисне покриття 2 і з метою усунення шорсткості шліфують, а потім полірують ЗОВНІШНІЙ шар покриття і роблять вимір геометричних розмірів усієї системи (біметалевого з'єднання) Після ЦЬОГО визначають положення головних центральних осей зразка з покриттям, жорсткість зразка і погонну масу зразка з покриттям Потім зразок установлюють на вібростенд, збуджують резонансні згинні коливання і вимірюють резонансну частоту З використанням усіх отриманих даних і за допомогою запропонованої формули визначають модуль пружності покриття У лабораторії кафедри опору матеріалів ЗНТУ було проведено роботу з визначення модуля пружності у покритті з нікелевого сплаву, який містить бор, кремній і хром Покриття наносили на зразок з чавуну з кулястим графітом марки В4 з двох сторін методом плазмового напилювання Покриття наносили на зразок із двох сторін Зразок був представлений у вигляді плоскої пластини Виміри геометричних розмірів показали, що його довжина І=97,5мм, ширина в=15мм і товщина п=1,85мм За допомогою плазмотрона з двох сторін зразка було нанесено захисне покриття Після шліфу вання і наступного полірування ЗОВНІШНІХ поверхонь покриття робили виміри товщин ВІДПОВІДНИХ шарів покриття, що склали t=0,5MM, і t2=0,4MM Після установки зразка з покриттям на вібростенд ВЭДС-200 збуджували резонансні згинні коливання і визначали власну частоту зразка з покриттям, яка виявилася рівною f=154,7Гц Для визначення положення головних центральних осей (осі, ВІДНОСНО ЯКИХ відцентровано момент інерції біметалевого з'єднання, дорівнює нулю) зразка з покриттям, його жорсткості і погонної маси використовували наступні дані Ео= 0,683'Ю МПа - модуль пружності зразка, х на який нанесено покриття з 2 сторін 6 Ро=7,69'10 кг/мм - ЩІЛЬНІСТЬ матеріалу зразка, ^154,7Гц - власна частота біметалу, яка визначена на вібростенді ВЭДС-200 = 0,73918 к = - коефіцієнт пружності, ви значений при рішенні рівняння, яке має вигляд К) 2п{і) \ т * ВІДПОВІДНО ДО вищенаведеної формули, необхідно обчислити m*, Jo, J-ш, J211, щоб визначити модуль пружності покриття Еп Але для того, щоб визначити ці величини, необхідно встановити величину К, яка визначається чисельним методом на комп'ютері за допомогою розв'язування рівняння f(i