Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие
Рассмотрено влияние модуля упругости покрытия на его прочностные и деформационные характеристики, а также на остаточные напряжения в нем. Касательные и нормальные напряжения, возникающие в основе и покрытии, зависят от модуля упругости последнего. Сделан вывод, что при проектировании систем основ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2002 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46747 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие / Н.А. Долгов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 66-72. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859478018537291776 |
|---|---|
| author | Долгов, Н.А. |
| author_facet | Долгов, Н.А. |
| citation_txt | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие / Н.А. Долгов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 66-72. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассмотрено влияние модуля упругости покрытия на его прочностные и деформационные
характеристики, а также на остаточные напряжения в нем. Касательные и нормальные
напряжения, возникающие в основе и покрытии, зависят от модуля упругости последнего.
Сделан вывод, что при проектировании систем основа-покрытие необходимо стремиться к
оптимальному соотношению их упругих свойств. Предложен оригинальный подход к нанесению
защитных структурно-неоднородных покрытий, в которых в отличие от функционально-
градиентных материалов плавно изменяется не состав, а структура.
Розглянуто вплив модуля пружності покриття на його міцнісні і деформаційні
характеристики, а також на залишкові напруження у ньому. Дотичні і
нормальні напруження, що виникають в основі та покритті, залежать від
модуля пружності останнього. Зроблено висновок, що при проектуванні
систем основа-покриття необхідно наближатися до оптимального співвідношення
їхніх пружних властивостей. Запропоновано оригінальний підхід до
нанесення захисних структурно-неоднорідних покриттів, у яких на відміну
від функціонально-градієнтних матеріалів плавно змінюється не склад, а
структура.
We investigate the influence of Young’s modulus
of a coating on its strength characteristics,
deformation behavior, and on residual stresses
in it. Tangential and normal stresses generated
in the substrate and in the coating depend on
Young’s modulus of the latter. We have come to
a conclusion that when designing substrate-
coating systems one should try to obtain
optimum combination of their elasticity properties.
We propose an original approach to deposition
of protective structurally nonuniform
coatings wherein, unlike functionally gradient
materials, gradual changes occur in the structure
rather than in the composition.
|
| first_indexed | 2025-11-24T11:50:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.793:620.172
Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность
системы основа-покрытие
Н. А. Долгов
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Рассмотрено влияние модуля упругости покрытия на его прочностные и деформационные
характеристики, а также на остаточные напряжения в нем. Касательные и нормальные
напряжения, возникающие в основе и покрытии, зависят от модуля упругости последнего.
Сделан вывод, что при проектировании систем основа-покрытие необходимо стремиться к
оптимальному соотношению их упругих свойств. Предложен оригинальный подход к нане
сению защитных структурно-неоднородных покрытий, в которых в отличие от функци
онально-градиентных материалов плавно изменяется не состав, а структура.
К лю чевы е слова: покрытие, основа, модуль упругости, нормальные напря
жения, касательные напряжения, работоспособность.
Введение. Данные о модуле упругости покрытия необходимы для рас
четов на прочность деталей с покрытиями, для управления технологичес
кими режимами нанесения покрытий, а также для определения и оптими
зации их свойств.
Упругие свойства покрытий отличаются от упругих свойств компакт
ного материала и зависят как от технологического режима напыления [1, 2],
так и от их пористости и структуры [3-5]. Модули упругости одних и тех же
покрытий, полученных при разных условиях напыления, могут отличаться в
несколько раз [1, 2, 6]. Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что,
управляя технологическим процессом напыления, можно направленно изме
нять модуль упругости покрытия. Цель работы заключалась в установлении
закономерностей влияния модуля упругости покрытия на работоспособность
системы основа-покрытие.
Анализ напряженного состояния в системе основа-покрытие. По
скольку детали с покрытиями в процессе изготовления и эксплуатации
испытывают как кратковременные, так и долговременные нагрузки, необхо
димо исследовать различные случаи возникновения напряжений в покры
тии.
Рассмотрим напряжения в покрытии, которые появляются вследствие
нагружения основы. В этом случае в плоскости адгезионного контакта
возникают касательные напряжения, которые могут вызывать адгезионное
разрушение покрытия. В соответствии с [7] максимальные касательные
напряжения г тах в плоскости адгезионного контакта равны:
Ь
г тах _ р е к ^ к , (1)
где коэффициенты Ь (размерность Па/м) и к (размерность м _1) являются
функциями, зависимыми от модуля упругости покрытия,
© Н. А. ДОЛГОВ, 2002
66 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2
Влияние модуля упругости покрытия
Ь = 2
в , в ъ
н н
в , + О*
н н
(2)
к 2 = Ь|
Е 0 н + Е п н , (3)
Е о , Е п - модули упругости основы и покрытия; О о , О п - модули сдвига
основы и покрытия; 2Н , к - толщины основы и покрытия; 21 - длина
покрытия (размерность м); р - нагрузка, прикладываемая к основе (размер
ность Па).
С учетом того, что для реальной конструкции выполняется соотно
шение
к1 ~ 1, (4)
рассмотрим выражение
г тах Р
Ь
Е о к '
(5)
Его анализ показывает, что величина г. зависит от модуля упругости
покрытия и изменяется, как показано на рис. 1. Видно, что, снижая модуль
упругости покрытия, можно уменьшить г тах. Уменьшение максимальных
касательных напряжений г тах, воздействие которых приводит к отслоению
покрытия, позволяет увеличить его прочностные и деформационные харак
теристики.
10
л1=
ф£ко.
слX
0
- — _ .3....^ _
____ ______ ;
2 ..
^---
“ 1------------
------------ —..... .......
50 100 150
Модуль упругости покрытия £ п , ГПа
200
Рис. 1. Влияние модуля упругости покрытия на напряжения в системе основа-покрытие: 1 ■
касательные; 2, 3 - нормальные соответственно в покрытии и основе.
В [7] приведены также выражения для расчета максимальных нормаль
ных напряжений в покрытии о п, возникающих при нагружении основы:
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2 67
Н. А. Долгов
о п = Р
ь I
1-
сИ к 1 (6)
и максимальных напряжении в основе под покрытием о :
<7= р 1-
ь
\\
Е о к 2 Н
1-
сИ к 1П
(7)
Из анализа выражении (6) и (7) следует, что величины о п и о зависят
от модуля упругости покрытия и изменяются, как показано на рис. 1. Видно,
что, снижая модуль упругости покрытия, можно уменьшить также нормаль
ные напряжения о п, которые вызывают его когезионное разрушение. С дру-
гоИ стороны, повышение модуля упругости покрытия снижает нормальные
напряжения в основе. Следовательно, эту особенность необходимо учиты
вать при проектировании элементов конструкции с покрытиями.
Из рис. 1 видно, что покрытие может разгружать основу и тем самым
повышать ее несущую способность. Таким образом, при проектировании
систем основа-покрытие необходимо стремиться к оптимальному варианту,
чтобы покрытие, с одноИ стороны, повышало несущую способность основы,
а с другоИ - не испытывало критических нагрузок и деформации.
Рассмотрим влияние модуля упругости покрытия на остаточные напря
жения (ОН) о он в нем, которые состоят из термических о т и структурных
о ̂ напряжении:
о он = о Т + ° 5 . (8)
1
1
Термические напряжения возникают вследствие различия коэффици
ентов термического расширения основы и покрытия, а также градиентов
температуры в образце при нанесении покрытия.
Вклад термическои составляющеи определяется выражением
Е п
о Т = 1— .. ( а о - а п )(Т1 - Т2 ), (9)
1 Пп
где ц п - коэффициент Пуассона покрытия; а о , а п - коэффициенты терми
ческого расширения основы и покрытия соответственно; Т - температура
нанесения покрытия; Т2 - температура при измерении термических напря
жении.
Анализ выражения (9) показывает, что величина о т пропорциональна
Е п . Значит, снижая модуль упругости покрытия, можно уменьшить терми
ческие напряжения о т (рис. 2).
Структурные напряжения возникают вследствие различия параметров
решетки основы и покрытия, а также структурных превращении в покры
тиях при их образовании. Такие напряжения в покрытии, нанесенном на
основу толщинои Н , обычно вычисляются по формуле [8]
68 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2
Влияние модуля упругости покрытия
О с =
6(1- М о) ph
( 10)
где р - радиус кривизны основы после напыления покрытия; ^ 0 - коэф
фициент Пуассона основы.
Однако вывод выражения (10) основывался на предположении, что
нейтральная ось, т.е. ось, где деформации при изгибе равны нулю, совпадает
с центром поперечного сечения образца с покрытием. Данное предполо
жение верно только в случае Е п = Е о.
Более точный результат при вычислении о $ дает формула Бреннера-
Сендероффа [9]:
/ I Е ^5/4 1
о$ = ^ ^ N + 1̂ - к . ( 11)
6 p h Е о /
Зависимость о $ от модуля упругости покрытия Е п представлена на
рис. 2. Как видно, зависимость структурных напряжений от модуля упру
гости покрытия по сравнению с термическими выражена слабее.
>.аhо
1,5
0,5
1
2
L^,--„J
12
а>*ка
с .га Ч х ш
а> X
і о
ч,Т
Sго.шн
50 100 150 200
Модуль упругости покрытия £ п, ГПа
Рис. 2. Влияние модуля упругости покрытия на остаточные напряжения: 1 - структурные; 2
термические.
Пути снижения напряжений в системе основа-покрытие. Изменяя
технологические режимы нанесения покрытий, можно достичь как скачко
образного, так и плавного изменения модуля упругости покрытия. Двух
слойное покрытие со скачкообразным изменением модуля упругости (E п1 =
= const; E п2 = const) изображено на рис. 3.
Вследствие скачкообразного изменения модуля упругости слоев на гра
нице их раздела при нагружении основы возникают касательные напря
жения, которые могут привести к отслоению верхнего слоя покрытия. По
этому целесообразно, чтобы модуль упругости по толщине покрытия изме
нялся плавно от E п1 до E п2 (Е п1 < E п2) - рис. 4.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2 69
Н. А. Долгов
Рис. 3. Покрытие со скачкообразным изменением модуля упругости.
Рис. 4. Покрытие с плавным изменением модуля упругости.
Подобный подход используется при изготовлении толстостенных труб
методом центрофугирования, в результате чего их физико-механические
характеристики, в частности характеристики упругости, плавно изменяются
по радиусу [10].
Поскольку с увеличением пористости модуль упругости покрытия Е п
уменьшается [4], его плотность следует уменьшать по толщине от зоны
адгезионного контакта с основой к его внешней поверхности.
Для теплозащитных покрытий вышеизложенное требует реализации
такой технологии нанесения, при которой в начале процесса напыления
должно наноситься керамическое высокопористое покрытие (например, плаз
менное), а затем более плотное низкопористое (например, электронно-луче
вое). Кроме того, использование структурно-неоднородной конструкции по
крытия позволит существенно увеличить его теплозащитные свойства.
Для уменьшения остаточных напряжений в функционально-градиент
ных материалах (ФГМ) также применяют методы постепенного перехода
структуры [11].
Изменение модуля упругости покрытия в процессе нанесения можно
рассматривать подобно процессу лазерного упрочнения, который предназ
начен для изменения структуры поверхностного слоя покрытия на более
плотную. Кроме того, на работоспособность системы основа-покрытие вли
яет термостабильность механических свойств покрытий, в частности харак
теристики упругости. Модуль упругости покрытия может изменяться при
воздействии термических и механических внешних факторов [12, 13] вслед
ствие нестабильности свойств покрытий. Эту нестабильность упругих
свойств также необходимо учитывать при проектировании конструкций с
защитными покрытиями.
70 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 2
Влияние модуля упругости покрытия
Заключение. Рассмотрен оригинальный подход к нанесению защитных
структурно-неоднородных покрытий с плавно изменяющейся структурой.
Это свойство отличает указанные покрытия от ФГМ, у которых изменяется
состав. При этом модуль упругости покрытия можно регулировать путем
изменения фрагментации, микротрещиноватости, пористости.
В местах максимальных эквивалентных напряжений в покрытиях не
обходимо снижать модуль упругости покрытия. Однако покрытие при нагру
жении основы разгружает ее и тем самым повышает несущую способность.
Поэтому при проектировании систем основа-покрытие следует стремиться
к оптимальному соотношению их упругих свойств. Покрытие, с одной
стороны, должно повышать несущую способность основы, а с другой - не
испытывать критических нагрузок и деформаций, при которых оно может
отслаиваться или растрескиваться.
Р е з ю м е
Розглянуто вплив модуля пружності покриття на його міцнісні і деформа
ційні характеристики, а також на залишкові напруження у ньому. Дотичні і
нормальні напруження, що виникають в основі та покритті, залежать від
модуля пружності останнього. Зроблено висновок, що при проектуванні
систем основа-покриття необхідно наближатися до оптимального співвідно
шення їхніх пружних властивостей. Запропоновано оригінальний підхід до
нанесення захисних структурно-неоднорідних покриттів, у яких на відміну
від функціонально-градієнтних матеріалів плавно змінюється не склад, а
структура.
1. Хасуй А. Техника напыления. - М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.
2. Kawase R., Tanaka K., Hamamoto T., and Haraguchi H. Study on elastic
constant and residual stress measurements during ceramic coating // Thermal
Spray Research and Application: Proc. of the 3rd National Thermal Spray
Conf. (Long Beach, California, 20 - 25 May 1990). - 1990. - P. 339 - 342.
3. Kim H. J. and Kweon Y. G. Elastic modulus of plasma-sprayed coatings
determined by indentation and bend tests // Thin Sol. Films. - 1999. - 342. -
P. 201 - 206.
4. Харламов Ю. А. Прогнозирование пористости порошковых покрытий //
Порошк. металлургия. - 1990. - № 12. - С. 36 - 41.
5. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. - М.:
Недра, 1996. - 591 с.
6. Tucker R. C. Structure property relationships in deposits produced by plasma
spray and detonation gun techiques // J. Vac. Sci. Tech. - 1974. - 11, No. 4.
- P. 725 - 734.
7. Уманский Э. С., Ляшенко Б. А. Условия адгезионной и когезионной
равнопрочности жаростойких покрытий // Косм. исследования на Укра
ине. - 1975. - Вып. 6. - С. 58 - 64.
ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2002, № 2 71
H. A. Долгов
8. Stoney G. G. The tension of metallic films deposited by electrolysis // Proc.
R. Soc. London Ser. A. - 1909. - 82. - P. 172 - 175.
9. Brenner A. and Sendero ff S. Calculation of stress in electrodeposits from the
curvature of a plated strip // J. Res. Nat. Bur. Stand. - 1949. - 42, No. 2. -
P. 105 - 123.
10. Fukui Y., Yonekuda H., Watanabe Y., and Nakanishi K. Evaluating of
residual stress in a thickwalled ring for Al-SiC functionally gradient material
// Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. A. - 1994. - 60, No. 574. - P. 1384 - 1389.
11. Itoh Y. and Kashiwaya H. Residual stress characteristics of functionally
gradient materials // Toshiba’s Selec. Pap. Sci. Techn. - 1993. - 5, No. 2. -
P. 63 - 68.
12. Ляшенко Б. A., Ермолаев В. В., Ж абрев В. A. и др. Методика оценки
термомеханической стабильности жаростойких покрытий // Темпера
туроустойчивые функциональные покрытия. Ч. 1. - СПб, 1997. - С. 50 -
53.
13. Ляшенко Б. A., Д олгов H. A., Ситникова A. Я. Оценка термостабиль
ности титановых сплавов со стеклокерамическими покрытиями //
Температуроустойчивые функциональные покрытия. Ч. 2. - СПб, 1997.
- С. 113 - 115.
Поступила 25. 09. 2000
72 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46747 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T11:50:37Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долгов, Н.А. 2013-07-06T15:01:44Z 2013-07-06T15:01:44Z 2002 Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие / Н.А. Долгов // Проблемы прочности. — 2002. — № 2. — С. 66-72. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46747 621.793:620.172 Рассмотрено влияние модуля упругости покрытия на его прочностные и деформационные характеристики, а также на остаточные напряжения в нем. Касательные и нормальные напряжения, возникающие в основе и покрытии, зависят от модуля упругости последнего. Сделан вывод, что при проектировании систем основа-покрытие необходимо стремиться к оптимальному соотношению их упругих свойств. Предложен оригинальный подход к нанесению защитных структурно-неоднородных покрытий, в которых в отличие от функционально- градиентных материалов плавно изменяется не состав, а структура. Розглянуто вплив модуля пружності покриття на його міцнісні і деформаційні характеристики, а також на залишкові напруження у ньому. Дотичні і нормальні напруження, що виникають в основі та покритті, залежать від модуля пружності останнього. Зроблено висновок, що при проектуванні систем основа-покриття необхідно наближатися до оптимального співвідношення їхніх пружних властивостей. Запропоновано оригінальний підхід до нанесення захисних структурно-неоднорідних покриттів, у яких на відміну від функціонально-градієнтних матеріалів плавно змінюється не склад, а структура. We investigate the influence of Young’s modulus of a coating on its strength characteristics, deformation behavior, and on residual stresses in it. Tangential and normal stresses generated in the substrate and in the coating depend on Young’s modulus of the latter. We have come to a conclusion that when designing substrate- coating systems one should try to obtain optimum combination of their elasticity properties. We propose an original approach to deposition of protective structurally nonuniform coatings wherein, unlike functionally gradient materials, gradual changes occur in the structure rather than in the composition. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие Effect of Young’s Modulus on Serviceability of a Substrate-Coating System Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие Долгов, Н.А. Научно-технический раздел |
| title | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| title_alt | Effect of Young’s Modulus on Serviceability of a Substrate-Coating System |
| title_full | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| title_fullStr | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| title_full_unstemmed | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| title_short | Влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| title_sort | влияние модуля упругости покрытия на работоспособность системы основа-покрытие |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46747 |
| work_keys_str_mv | AT dolgovna vliâniemodulâuprugostipokrytiânarabotosposobnostʹsistemyosnovapokrytie AT dolgovna effectofyoungsmodulusonserviceabilityofasubstratecoatingsystem |