Оглавление
Введение..........................................................5
1. Состояние вопроса, постановка задачи исследования.............11
1.1. Основные сведения о лакокрасочных материалах...............11
1.2. Механические испытания покрытий............................17
1.2.1. Косвенные методы определения механических свойств покрытий .....................................................17
1.2.2. Растяжение свободных пленок...........................25
1.3. Обзор моделей, учитывающих поверхностные эффекты 28
2. Метод определения упгугих свойств покрытий по результатам испытаний стальных образцов с покрытиями...............................30
2.1. Материалы и метод проведения испытаний образцов с покрытиями на растяжение и изгиб....................................31
2.2. Определение модуля упругости покрытий по данным испытаний на растяжение.............................................41
2.3. О влиянии толщины образца на результаты определения модуля упругости покрытий...........................................55
2.4. Определение модуля упругости покрытий по результатам испытаний на изгиб..................................................58
2.5. Сопоставление экспериментальных значений модуля упругости покрытий с расчетными, полученными с использованием модели зернистых композиционных материалов.................................63
3. Численное моделирование нагружения трехслойных стальных образцов в процессе механических испытаний и разработка метода определения коэффициента Пуассона лакокрасочного покрытия..............68
2
3.1. Постановка задачи.........................................69
3.2. Описание математической модели............................70
3.3. Анализ полученных результатов.............................74
3.4. О влиянии лакокрасочного покрытия на устойчивость
оболочки ........................................................... 82
4. Уточненное моделирование физико-механических свойств
стальных пластин с покрытиями с учетом поверхностных эффектов 86
4.1. Математическая постановка модели..........................88
4.1.1. Общие сведения о моделях с учётом поверхностных
эффектов ..........................................................88
4.1.2. Задача одноосного растяжения..........................89
4.1.3. Метод идентификации поверхностного модуля из испытаний на растяжение.......................................91
4.1.4. Задача изгиба пластин с учётом поверхностных эффектов92
4.1.5. Метод идентификации поверхностного модуля из испытаний на изгиб в рамках однопараметрической модели........95
4.1.6. Метод идентификации поверхностного модуля в рамках двухпараметрической модели....................................96
4.2. Алгоритм уточнённого моделирования деформированного
состояния пластин с учётом поверхностных эффектов....................99
4.3. Моделирование экспериментов со стальными пластинами.. 100
4.3.1. Моделирование стальных пластин с покрытием №3........100
4.3.2. Моделирование зависимости модуля Юнга пластин от толщины подложки.............................................103
4.3.3. Метод экспресс-оценки толщины покрытий по результатам статических испытаний........................................105
3
4.3.4. Моделирование стальных пластин с покрытием №4........106
4.3.5. Моделирование пластин из термообработанной стали.... 107
4.4. Прогнозирование предела текучести пластин с покрытиями 110
4.5. Выводы...................................................115
Заключение.....................................................117
Список литературы..............................................118
4
ВВЕДЕНИЕ
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 [30, 51, 66, 83].
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 покрытия 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
5
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 [17], 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 [17]. К настоящему времени методы •
и *
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. Так в работе [32] показано, что только показатель твердости не зависит от нагрузки и глубины вдавливания при нагрузках менее 30 мН. Модуль упругости покрытия при этом быстро уменьшается с повышением нагрузки.
6
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 правиле смесей.
Целью данной работы является разработка методов определения механических характеристик ЛКП (порошковая полимерная краска на эпоксидно-полиэфирной основе + три типа различных лаков), нанесенных на поверхности образцов листовой стали 08ПС. Для этого используются экспериментальные данные растяжения и четырехточечного изгиба и различные математические модели.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
1. Разработка методов определения модуля упругости ЛКП по
4
результатам испытаний на растяжение и четырехточечный изгиб
-1*
металлических образцов с покрытиями.
2. Численное моделирование нагружения трехслойных стальных образцов в процессе механических испытаний и разработка метода определения коэффициента Пуассона ЛКП.
3. Разработка уточненных методов оценки упругих характеристик ЛКП с учетом поверхностных эффектов по результатам испытания на растяжение и изгиб.
Научная новизна состоит в разработке новых методов определения упругих характеристик покрытий с помощью классического и неклассического методов по результатам данных механических испытаний металлических образцов, с нанесенными на них покрытиями, и результатов численного моделирования процессов нагружения.
Новые научные результаты данной работы состоят в следующем:
1. Разработаны методы определения модуля упругости ЛКП по результатам испытаний на растяжение и четырехточечный изгиб металлических образцов с покрытиями.
2. Разработан метод определения коэффициента Пуассона ЛКП.
3. Разработаны уточненные методы определения модуля упругости ЛКП с учетом поверхностных эффектов по результатам испытания на растяжение и изгиб.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
использованием математической модели, не противоречащей основным положениям механики деформируемого твердого тела и теории упругости, применением классических математических методов и апробированных подходов.
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. * -
г
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. II 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.).
8
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.Х Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам
• #•
теоретической и прикладной механики, Нижний Новгород (2011 • г.).
И.XXIV Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», Санкт-Петербург (2011 г.).
12.0бщеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, г. Москва, 2011 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ [41 - 50, 60, 62, 63, 81], включая 3 статьи, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ [47, 60, 63].
9
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.
В первом разделе диссертационной работы приведено описание существующих методов в области определения механических свойств ЛКП. Проведен обзор существующих методов для определения механических характеристик ЛКП. Показывается актуальность данной работы. Ставится задача для исследований.
Во второй главе представлены данные по исследованию растяжения и четырехточечного изгиба образцов на современной универсальной испытательной машине ZWICK Z100. Описаны проведенные эксперименты, применяемые материалы, оборудование. Представлен метод определения модуля упругости покрытия на основании экспериментов по растяжению образцов и четырехточечному изгибу.
В третьей главе приведено численное моделирование нагружения трехслойных стальных образцов в процессе механических испытаний и разработан метод оценки коэффициента Пуассона лакокрасочного покрытия.
В четвертой главе представлены уточненные методы определения модуля упругости ЛКП с учетом поверхностных эффектов по результатам испытания на растяжение и изгиб. Приводятся метод экспресс-оценки толщины покрытия по результатам статических испытаний.
В заключении приведены основные выводы, сделанные по результатам проведенного в диссертационной работе исследования.
10
- Київ+380960830922