Общие сведения о хрупких тензочувствительных покрытиях

Общие сведения о хрупких тензочувствительных покрытиях

Введение

В данной контрольной работе приведено краткое описание наиболее важных аспектов метода хрупких покрытий: условий образования трещин, коэффициента чувствительности, материалов, применяемых в качестве хрупкого покрытия, задач, решаемых с помощью данного метода. Излагается порядок проведения лабораторных работ по определению коэффициента чувствительности покрытия и исследованию деформаций на образцах с концентраторами.

Этот метод родился из наблюдений за поведением окалины и пленок окислов на поверхностях деформируемого металла. Было замечено, что в результате формоизменения эти естественные покрытия разрушаются, отражая процесс течения металла. В дальнейшем метод совершенствовался и стал применяться для качественного и даже количественного изучения главным образом упругих деформаций.

Метод хрупких покрытий обеспечивает простой и непосредственный анализ большого класса различных практических задач, где не требуется высокая точность. Суть метода состоит в том, что покрытие с определенными характеристиками наносят на исследуемую поверхность. Соответствующая адгезия обеспечивает трансляцию деформаций, возникающих в объекте, к покрытию, которое под действием возникающего при этом поля напряжений разрушается и покрывается сеткой трещин. Так как предел прочности покрытия обычно значительно ниже этой же величины исследуемого материала, то этот метод можно отнести к неразрушающим способам анализа.

Таким образом, основным результатом испытаний является картина трещин в хрупком покрытии; важна также последовательность их появления с ростом нагрузки. Очевидно, что места наиболее раннего появления трещин выявляют наиболее напряженные зоны исследуемого объекта.

1. Общие сведения о хрупких тензочувствительных покрытиях

Метод хрупких тензочувствительных покрытий является перспективным и широко применяемым способом экспериментальных исследований полей деформаций и напряжений на поверхности деталей, узлов конструкций или их моделей при приложении к ним статической или динамической нагрузки.

Этот метод заключается в наблюдении трещин, образующихся при нагрузке или разгрузке детали, в топком слое хрупкого покрытия, предварительно нанесенного на исследуемую поверхность. Тонкое покрытие прочно связано с поверхностью образца или детали, поэтому деформации в точках покрытия и в связанных с ними точках поверхности исследуемого объекта, одинаковые. Трещина в покрытии вызывается растягивающими напряжениями или деформациями. Высокая хрупкость покрытия (образование в нем трещин при малой деформации) связана с наличием в нем до приложения внешней нагрузки к детали остаточных напряжений (двухосное равномерное растяжение).

Измерения проводят путем визуального наблюдения образования и распространения трещин в покрытии при нагружении исследуемых объектов и их фотографирования. По мере увеличения нагрузки трещины распространяются от более напряженного к менее напряженному месту; при снятии нагрузки полученные в хрупком покрытии трещины остаются видимыми. Хрупкие покрытия позволяют при плавном или ступенчатом нагружении (разгрузке) исследуемой конструкции находить в нагруженных зонах свободной поверхности, включая места концентрации напряжений, главные деформации и напряжения с погрешностью в пределах 15%, не применяя другие методы исследования.

Измерение полей упругопластических деформаций проводят на отдельных участках нагрузки с возможностью оценки напряжений с использованием диаграмм деформирования материала исследуемой детали. Для измерения динамических деформаций выполняют соответствующую градуировку покрытия по тензочувствительности в зависимости от скорости изменения деформаций во времени. Хрупкие покрытия могут также использоваться для индикации повреждений в конструкции в рабочих условиях. Метод особенно эффективен при испытаниях деталей и конструкций с большой неравномерностью поля напряжений на их поверхности.

Основные положения, подтверждаемые экспериментально и применяемые при рассмотрении работы хрупкого покрытия, следующие:

между покрытием и поверхностью образца или детали, на которые нанесено покрытие, имеет место полная адгезия;

толщина слоя хрупкого покрытия и его жесткость пренебрежимо малы по сравнению с жесткостью исследуемого объекта;

напряженное состояние в покрытии на расстоянии, большем пятикратной толщины слоя покрытия от его края, является плоским с равномерным распределением напряжений по толщине покрытия, а третья компонента главных напряжений в покрытии (и в точках поверхности детали), нормальная к поверхности хрупкого слоя, равна нулю;

материал покрытия является изотропным, и применимо линейное наложение деформаций (напряжений) для получения критического состояния, соответствующего образованию трещины в покрытии.

. Тензочувствительность хрупкого покрытия и условия образования в нем трещин

тензочувствительность деформация покрытие деталь

Тензочувствительность определяют как относительное удлинение (наибольшая главная деформация) на поверхности градуированного образца с известным линейным напряженным состоянием, при котором возникает трещина в покрытии.

Существующие типы хрупких покрытий обладают чувствительностью ss порядка (2÷20) 10. Первые трещины в покрытии на стальных деталях появляются при напряжении (20÷40) Мпа. Тензочувствительность покрытия увеличивается с ростом толщины. Чтобы уменьшить разброс чувствительности, необходимо наносить на деталь покрытие равномерной толщины. Эксперименты показывают, что наиболее приемлемая толщина покрытия (0,1÷0,13) мм для получения стабильной чувствительности.

В соответствии с условиями образования трещин геометрическое место их концов представляет собой линию, в точках которой относительное удлинение (деформация) равно чувствительности хрупкого покрытия  Линия, проходящая через концы трещин при данном значении внешней нагрузки, называется изоэнтатой. Если построить такие линии для нескольких значений внешней нагрузки, то с помощью полученной картины изоэнтат можно определить НДС в области картины трещин и при нагрузках, превышающих значение, соответствующее появлению первых трещин. При приложении нагрузки к детали с нанесенным хрупким покрытием в точках поверхности детали и в соответствующих точках покрытия возникают деформации, одинаковые по величине и направлению. Для упругих деформаций, используя закон Гука, в результате не сложных преобразований получаем:

Здесь:

- напряжения, возникающие в материале покрытия;

, - модуль упругости и коэффициент Пуассона хрупкого покрытия;

- коэффициент Пуассона образца или детали.

Соотношение (1) показывает, что при принятом критерии прочности покрытия (критерий максимальных растягивающих напряжений), величина  зависит также от величины коэффициента Пуассона µ материала тарировочного образца. Однако из приведенной зависимости следует, что при стабильных условиях тарировки наибольшее различие в величинах  при изменении µ от 0,25 до 0,35 составляет около 5%. Это значительно меньше обычного разброса значений тензочувствительности применяемых покрытий, поэтому тарировка 5 хрупких покрытий может производиться на образцах из другого материала, чем исследуемая деталь.

При одноосном напряженном состоянии напряжение образце на линии конца трещины определяется по формуле:

,

где Е - модуль упругости материала образца.

. Задачи, решаемые с помощью метода хрупких покрытий

Метод хрупких покрытий позволяет решать следующие задачи:

выявление зон, имеющих наибольшие деформации (напряжения) и мало нагруженных зон;

определение направлений главных деформаций (напряжений);

проведение качественного анализа напряжений, возникающих в образце или детали.

Трещины в покрытии, появляющиеся первыми в процессе нагружения, указывают наиболее напряженные зоны на поверхности образца. Расположение и форма трещин позволяют определить направление наибольшего удлинения, перпендикулярное к линии распространения трещины Метод хрупких покрытий дает возможность сделать вывод о характере распределения напряжений в образцах и деталях. Кроме того, он может быть использован для качественной характеристики остаточных напряжений. Для этого на поверхность наносится хрупкое покрытие высокой чувствительности (510), и в исследуемых зонах сверлятся лунки диаметром 3 мм и глубиной 2 - 3 мм, обеспечивающие частичное устранение остаточных напряжений. Затем на поверхность наносят слой красного травителя. После удаления травителя в окрестности лунок в хрупком покрытии появляются трещины. В зависимости от характера снятых напряжений получается та или иная характерная картина трещин.

Исследование деформаций с помощью хрупких покрытий дает наглядное представление о распределении напряжений в нагруженном образце или детали и позволяет выяснить наиболее напряженные места. Наличие качественного заключения значительно облегчает задачу количественного исследования напряженного состояния.

4. Виды хрупких покрытий

В качестве основного материала для хрупких тензочувствителых покрытий чаще всего используется сосновая подсадочная канифоль. Как хрупкое покрытие, канифоль может быть использована в чистом виде, либо с введением различных добавок, улучшающих свойства покрытия. Так были созданы покрытия из канифоли, обработанной окисью цинка или окисью бария, растворенной в сероуглероде. К этому типу относятся покрытие «стресскот» и покрытие ИМАШ, разработанные в Институте машиноведения. Эти покрытия обладают стабильностью по тензочувствительносги, однако огнеопасность и токсичность их существенно затрудняют применение покрытий на сероуглероде. Покрытия канифольного типа, наносимые газопламенным напылением, свободны от этих недостатков, но имеют ограничения по климатическим условиям испытаний (температура от +5 до +40°С), и малым колебаниям температуры (±3°С) и влажности. Для измерений при температурах от -200° с до +200° С и в присутствии влаги используют оксидные наклеиваемые покрытия. Эмалевые покрытия, оплавляемые на детали, применяют для исследования изделий из термопрочных сталей при высоких температурах (до +400» С).

Новый тип тензочувствительного покрытия «тенз - лак» (фирма «Вишей» США), в аэрозольной упаковке позволяет проводить измерения при температурах от 0°С до +40 «С, имеет примерно те же характеристики тензочувствительности, что и покрытие «стресскот», но не является токсичным и огнеопасным.

Область применения хрупких покрытий:

. По объектам - на моделях и натурных экспонатах любых размеров и конфигурации;

. По диапазону деформаций - для упругих деформаций от 0,03% до 0,3% и больше.

Достоинства метода:

1. Простота и доступность, возможность одним покрытием исследовать всюповерхность объекта;

. Надежность и быстрота установления наиболее напряженных мест и общего характера распределения напряжений;

. Наглядность получаемых результатов.

Недостатки метода:

1. Низкая точность при количественных определениях деформаций и напряжений;

. Ползучесть покрытия и большая чувствительность к атмосферным условиям;

. Возможность самопроизвольного растрескивания при резком изменении температуры.

Рекомендуется в сочетании с методами тензометрирования.

Экспериментальные исследования

Целью выполнения лабораторных работ №1, 2 является определение коэффициента тензочувствительности хрупкого покрытия на основе канифоли и исследование напряженно - деформированного состояния (НДС) плоского стального образца с концентратором при одноосном растяжении.

Работа №1.

Определение коэффициента чувствительности хрупкого покрытия.

Чувствительность хрупкого покрытия определяется с помощью тарировочных устройств. Простейшее из них представляет из себя образец в виде консольной балки, изготовленный из стали с высоким пределом упругости.

Нагружающее устройство состоит из площадки с грузами, с помощью которых на конце балки задается определенный прогиб, величина его измеряется тензометром часового типа.

Порядок выполнения работы:

. Тщательно обезжирить рабочую поверхность балки;

. Нанести хрупкое покрытие на тарировочную балку;

. Охладить образец до комнатной температуры;

. Закрепить балку в устройстве (аккуратно и осторожно, чтобы не создать трещин в покрытии);

. Настроить нагружающее устройство;

. Нагрузить балку, фиксируя нагрузку Р и появление нескольких трещин в покрытии;

. Измерить расстояние (l) от точки приложения нагрузки до ближайшей к ней трещины;

9. Определить коэффициент чувствительности хрупкого покрытия  по формуле:

Модуль упругости материала образца

Работа №2.

Исследование НДС стального образца с концентратором с помощью хрупкого покрытия

Порядок выполнения работы:

. Тщательно обезжирить рабочую поверхность образца;

. Нанести хрупкое покрытие на исследуемый образец;

. Охладить образец до комнатной температуры;

. Установить образец в захваты испытательной машины УМ-10 и произвести нагружение до появления первых трещин в хрупком покрытии;

. Зафиксировать нагрузку по силоизмерителю и зарисовать получившуюся картину трещин;

. Продолжить нагружение образца до появления новых трещин, зарисовать картину трещин и зафиксировать нагрузку;

. Сделать заключение о характере напряженного состояния в образце;

Модуль упругости материала образца

Литература

. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

. Экспериментальная механика: в 2-х книгах. Книга 2, - Пер. с англ./ Под ред. А. Кобаяси. - М.: Мир, 1990, - 552 с.

. Пригоровский Н И., Панских В.К. Метод хрупких тензочувствительных покрытий. - М.: Наука, 1978. - 184 с.

. Интернет ресурс http://pstu.ru/files/file/adm/fakultety/metod_hrupkih_pokrytiy_metodicheskoe_posobie_.pdf