涂層溫度對涂層殘余應(yīng)力的影響

1、涂層溫度對涂層殘余應(yīng)力的影響5.1實(shí)驗(yàn)原理*曲卑法主嬰是依據(jù)涂足與果體之間的力和力矩屮術(shù)的眾理.在涂層快速冷卻（或固比）的過秤中由于其自由收縮（威膨脹）受列了基體的陰礙，將會產(chǎn)住矢配應(yīng)變Ae.閃此涂層與基體也將同時受到相71Z閭等值、反向的力F的作用.而對于涂層和起體的更合悴來說,就會受到彎矩M的作用，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合庫的彎陽變形，如圖5.1所示.圖5.1穹曲法涂層應(yīng)力檢體礙基本原理?ig,5.IConceptuhIittMlelforthepredictionofresidualstresswithincoatingbybendineracthud下面將以狹K（b/L0.2TJt屮L和b分別為棊

2、體的怏和寬人單層涂層的復(fù)合on聲結(jié)構(gòu)加以具體說明耳合體的曲率與失収應(yīng)變的關(guān)系町以衷示成酋：E/AS4,EiH+6斥才+4/川卄?/武中EsfllEc分別表示基怵和涂層的楊氏探性模雖，肌H和h分別表示境合梁的寬度、基體和涂層的停度式（5D袤明在h/H的數(shù)值一定的情況下.曲率k與皋體厚度H成反比。因此，在實(shí)驗(yàn)中為了保證測議精度.應(yīng)盡就使被測的復(fù)合梁具冇較大的曲率，這就要求基體不能過耳.另外，如果試樣涂層中存在正交應(yīng)力Ox和與之相對應(yīng)的將會有兩個正交的曲率&和扁。這種情況的出現(xiàn)有町能導(dǎo)致材料在變形過程中發(fā)生失穩(wěn)，使得整個計(jì)算過程變得十分復(fù)雜.因此，在實(shí)際采用彎曲法測啟涂層殘余應(yīng)力時常常采用狹長形的試

3、樣。當(dāng)涂層較薄時（hH）,呈體的殘余應(yīng)力可以忽略，同時將由失配應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力視為涂層中的殘余應(yīng)力.即可以簡化并整理為著名的Stoneys方程：(5.2)(53)(5.4)(5.5)kxE/H2當(dāng)涂層較厚時涂層殘余應(yīng)力與曲率之間的關(guān)系可以農(nóng)示成為:kxEH2ure-ar*6（l-）xAX1+0其中e=H/h人和耳分別表示涂層和基體的泊松比5.2實(shí)驗(yàn)方法基體試件采用經(jīng)過淬火和中溫回火的65Mn彈簧鋼片?；w試件的規(guī)格尺寸為100mmxl5mmx0.7mmw為保證涂層與基體試片的結(jié)合效果，噴涂就對基體試件表面進(jìn)行淸洗及噴砂處理.由于噴砂造成試件表面會產(chǎn)生斥應(yīng)力，從而導(dǎo)致試件發(fā)牛彎曲變形.所以需要對基

4、體試片兩個表面都進(jìn)行噴砂處理，平衡應(yīng)力狀態(tài)，便試件半直。考慮到電弧噴涂時的巨大氣流的推力會造成基體試件彎曲，設(shè)計(jì)了專門的試件夾具（見苗5.3）防止這種現(xiàn)象.采用電阻點(diǎn)焊方法將測溫?zé)犭娕嫉亩它c(diǎn)點(diǎn)焊在待噴涂試片的背面，并通過試件夾具上的開幾引出，連接到測溫記錄儀表上。為了使試件表面的熱過程均勻-致，噴涂槍的移動路線和速度以及每道、每層涂層的噴涂間隔時何都嚴(yán)格控制.保證試件處于規(guī)定的溫度范圍內(nèi).試件冷卻到室溫后，通過測疑試件的彎曲曲率，分別計(jì)算出在不同溫度條件下獲得試件的殘余應(yīng)力值。曲率測量方法如下所示:圖52曲率法測應(yīng)力試件示恿圖Fig52Diagramofcurvaturemeasuredstr

5、ess由率*的計(jì)算曲率的公式:(5.6)圖53試件夾具示意圖5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱膨脹系數(shù)不同溫度下4013、65Mn的熱膨脹系數(shù)如表5.152所示所示。表5.1不問溫度下4Crl3的熱彫脹系數(shù)Tab5IThermalexpansioncoefficientof4Crl3indifferenttemperature熱膨脹系數(shù)/r10010.5X10-620011X1040012X106溫度*c熱膨脹系數(shù)/r10011.1X1020011.8X1040012.5X10衣52不同溫度F65Mn的熱膨脹系數(shù)Tab5.2Thermalexpansioncoefficientof65Mnindifferen

6、ttemperature的應(yīng)力情況涂層材料4Crl3的彈性模呈：Ec=53.lGPa,基體材料65Mn的彈性模鼠：E廠204GP*4Crl3涂層的基本數(shù)據(jù)如表53：溫度(p)L(mm)b(ntn)&(mm)18085.691.36L1321084.961.370.5024087.001.500.3325085.671.380.3327087.001.490.3330084.911.400.2033085.841.650.4236083.471.561.7939084.281.942.02衣534Crl3試件測鯊數(shù)據(jù)Tab5.3Testdataof4Crl3specimen計(jì)算結(jié)果如表5.4：表

7、5.4應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab5彳Stresscalculations溫度（X?）涂層厚度（mm）應(yīng)力(MPa)1800.67-31.28210067-21.052400.79-16.332500.98-13.36270L2420.633000.8515.183300.7214.523600.8635.493900.4930.21涂層的殘余應(yīng)力與涂層的厚度成正比，將衣5.4中的應(yīng)力值進(jìn)行處理可以得到庁度為068mm時的噴涂應(yīng)力，數(shù)值如農(nóng)55：表5.5應(yīng)力整理結(jié)果Tab5.5Coordinationofthestress溫度（X?）應(yīng)力（MPC180-32.37210-21.36240-14.6625

8、072727011.3230012.0133013.723602&1939042.18由表5.5中的數(shù)據(jù)作圖如圖5.4：圖5.4溫度對4Crl3涂層殘余應(yīng)力的妙響Fig5.4Effectsoftemperatureon4Crl3coatingresidualstress如圖所示在260X?左右進(jìn)行噴涂時涂層中幾乎不存在殘余應(yīng)力或者涂層中存在很小的殘余應(yīng)力。4Crl3涂層轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)約為260*C,高于此溫度，獲得拉應(yīng)力涂層：低于此溫度噴涂，涂層處于壓應(yīng)力狀態(tài).5.3.365Mn的應(yīng)力情況.涂層材料65Mn的彈性模雖：民-105.)3GPa基體材料65Mn的彈性模量：E.=204GPa65Mn涂

9、層的基本數(shù)據(jù)如表5.6：農(nóng)5.665Mn試件測H數(shù)據(jù)Tab5.6Testdataof65Mnspecimen溫度CC)L(nun)b(m)6(mm)15084171.270.8318081.181.030.7221085.691.120.4224082.071.130.2727090.121.241.2030085.731.281.5633083.651.341.30計(jì)算結(jié)果如表5.7：表5.7應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab5.7StresscalculationsMt涂足療度(mm)應(yīng)力(Mp)1500.53-10.301800.77-7.242100.62-4442400.632.712700.797

10、.693000.8410.943300.949.47涂層的殘余應(yīng)力與涂層的厚度成正比，將表5.7中的應(yīng)力值進(jìn)行處理可以得到厚度為0.63mm時的噴涂應(yīng)力.數(shù)值如表58：農(nóng)5.8應(yīng)力整理結(jié)果Tab5.8Coordinationofthestress溫度CC)應(yīng)力(MP&)150-12.32180-5.94210-4.512402.752706153007.573309.47由表5.8可得下圖(6圖55溫度對65Mn涂肚殘余應(yīng)力的影響Fig5.5Effectsoftemperatureon65Mncoatingresidualstress如圖所示在23(rc左右進(jìn)行噴涂時涂層中兒乎不存在殘余應(yīng)力或

11、者涂層中存在很小的殘余應(yīng)九65Mn涂層轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)約為230C,高于此溫度，獲得拉應(yīng)力涂層:低于此溫度噴涂，涂層處于壓應(yīng)力狀態(tài)。5.4分析根搏兩種噴涂材料的涂層應(yīng)力情況可以看出，對于有相變產(chǎn)生的涂層，在不同溫度卜進(jìn)行噴涂時涂層殘余應(yīng)力會出現(xiàn)拉壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變現(xiàn)彖，從而導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)零應(yīng)力，這與第四阜理論分析情況相一致。噴涂時使得涂層與基體保持在不同的溫度進(jìn)行噴徐，馬氏體轉(zhuǎn)變駅也會發(fā)生變化，隨若溫度的升高，涂層中馬氏體的含雖會有所減少。這是馬氏體轉(zhuǎn)變特性決定的.當(dāng)過冷奧氏體以大于臨界淬火速度過冷到Ms時，立即幵始向旦氏體的轉(zhuǎn)變.隨著溫度的下降，馬氏體的雖增多。當(dāng)溫度下降到“耐，奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變結(jié)束

12、。Ms與M啲位置主要取決于奧氏體的成分.奧氏體的碳的質(zhì)雖分?jǐn)?shù)越高，Ms與M僞低，噴涂過程中碳冇一定程度燒損，所以材料的Ms點(diǎn)在200匸3009之間.在低溫進(jìn)行啖涂，涂層快速冷卻到Ms點(diǎn)產(chǎn)生馬氏體組織，噴涂溫度高時，涂層快速冷卻到Ms點(diǎn)以上某一溫度，這時不會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。那么噴涂過程相當(dāng)于在點(diǎn)Ms以上某一溫度進(jìn)行等溫.在這段時間內(nèi)會出現(xiàn)貝氏體組織轉(zhuǎn)變.隨后繼續(xù)冷卻產(chǎn)生馬氏體組織，由于貝氏體組織的產(chǎn)牛使得涂層中馬氏體含鍛的減少，從而導(dǎo)致涂層體枳膨脹減少，應(yīng)力的狀態(tài)發(fā)牛變化。使基體與涂層保持在臨界轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行噴涂時，相變產(chǎn)生的速度與噴涂后冷卻的速度相互平衡，使得相變應(yīng)力與熱應(yīng)力相互抵消，出現(xiàn)寺應(yīng)力或超低應(yīng)力的現(xiàn)象。5.5本章小結(jié)對于4Crl3馬氏體不銹鋼來說260C是臨界點(diǎn)，髙于260,涂層的熱收縮占主導(dǎo)；低于此溫度，馬氏體相變引