Экспериментально-расчетный метод исследования физико-механических характеристик многослойных полимерных покрытий тонкостенных авиационных конструкций

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 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 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.

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 результатам испытаний на растяжение и четырехточечный изгиб 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.

Достоверностьполученныхрезультатов 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.

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.).

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.).

11.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].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.

4.5. Выводы.

В данном разделе получены следующие основные результаты:

Предложен алгоритм уточнённого моделирования механических свойств пластин с покрытиями, основанный на моделях теории упругости с учётом поверхностных эффектов. Предложены однопараметрическая и уточнённая двухпараметрическая модели пластин с учётом собственных свойств поверхностей.

Показано, что модули Юнга пластин с покрытиями 3 и 4 с высокой точностью моделируются в рамках однопараметрической модели (модели поверхностного натяжения). Показано, что однопараметрическая модель точно описывает результаты испытаний и на растяжение, и на изгиб. Идентифицированы поверхностные параметры для рассматриваемых материалов.

Показано, что однопараметрическая модель позволяет прогнозировать влияние, толщины подложки на эффективную жёсткость пластин с покрытиями 3.

Показано, что однопараметрическая модель полностью согласуется с формулой смеси при растяжении пластин, однако, позволяет описать с помощью единственного поверхностного параметра и жёсткость пластин при изгибе и влияние толщины подложки, что не возможно сделать с использованием классических моделей, которые требуют изменения исходных данных: толщины или модуля Юнга покрытия для «подгонки» результатов.

На основании теоретических расчётов показано, что при учёте поверхностных эффектов модуль Юнга пластины с покрытием будет всегда отличаться при испытаниях на изгиб и на растяжение. Данный эффект ранее был известен из экспериментов и теоретически не обосновывался. Показано, что этот эффект связан с различным вкладом поверхностных напряжений в НДС пластины при растяжении и изгибе.

Предложены методики идентификации поверхностных параметров моделей с использованием результатов испытаний на растяжение и изгиб пластин с покрытиями.

Предложен метод экспресс-оценки толщины покрытия на основе статических испытаний. Данный метод не требует привлечения микроскопии.

На основе экспериментов показано, что эффекты, связанные с поверхностным натяжением в однопараметрической модели, вносят определяющий вклад в НДС пластин, однако, дополнительный учёт собственной изгибной жесткости в рамках двухпараметрической модели пластин позволяет описать более тонкие поверхностные эффекты.

Показано, что модуль Юнга термообработанной стали в экспериментах на растяжение и на изгиб может быть описан только в рамках модели, учитывающей собственные изгибные свойства поверхностей, так как в отсутствии покрытий в стали не возникает поверхностных напряжений, что подтверждается экспериментами и является следствием проведённой термообработки.

Исследованы подходы к прогнозированию предела текучести пластин с покрытиями. Показано, что модель поверхностного натяжения не позволяет описать изменение предела текучести образцов с покрытиями. Предложены критерии текучести, учитывающие остаточные напряжения в объёме и на поверхности среды. Показано, что данные критерии позволяют обосновать и достаточно точно прогнозировать пределы текучести в термообработанных пластинах и пластинах с покрытиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработаны новые экспериментально-расчетные методы определения физико-механических характеристик многослойных полимерных покрытий, основанные на использовании аналитических решений задач о растяжении и изгибе трехслойных полос и результатов экспериментальных испытаний на растяжение и изгиб металлических образцов с покрытиями.

2. Для полимерных покрытий разработан новый метод определения коэффициента Пуассона, основанный на использовании численной модели изгиба трехслойной полосы и результатов испытаний стальных образцов с нанесенными на них покрытиями на четырехточечный изгиб.

3. Получена оценка влияния нанесенного полимерного покрытия на устойчивость тонкостенной цилиндрической оболочки. Показано, что нанесение полимерного покрытия на тонкостенную цилиндрическую оболочку приводит к увеличению критической нагрузки по сравнению с оболочкой без покрытия до ~14% (при толщине оболочки 1 мм).

4. Разработаны уточненные методы определения модуля упругости многослойного полимерного покрытия с учетом поверхностных эффектов по результатам испытания на растяжение и изгиб.

5. Представлено математическое обоснование получаемых различных значений модулей упругостей, рассчитанных с помощью результатов испытаний стальных образцов с многослойными полимерными покрытиями на растяжения и изгиб.

6. Разработан новый экспериментально-расчетный метод экспресс-оценки толщины полимерного покрытия с использованием предлагаемой модели, учитывающей поверхностные эффекты.