低碳钢钢圆柱体上制备涂层界面性能扭转试验研究

低碳钢钢圆柱体上制备涂层界面性能扭转试验研究

袁捷虹

河源理工学校袁捷虹

摘要：表面涂层（或薄膜）作为表面技术及复合表面技术中的重要一种，在现代材料设计和应用中发挥着愈来愈重要的作用。

目前，人们已经充分认识到表面涂层技术是一种涉及物理、化学、材料、力学等诸多交叉学科的新兴技术，具有广阔的应用前景。

本文使用了带丙烯酸的涂层的低碳钢钢圆柱体作为试样来测验涂层界面性能，由于基体和涂层的结合强度十分好，涂层性能优良，在试验中并没有观察到明显的涂层失效现象，但我们仍能得到2个结论。（1）基体/涂层的界面切应力大于所求得的切应力；（2）若试样进行过前处理，那么此试样在试验中所受的最大扭矩会得到上升。

关键词：基体；涂层；涂层界面性能；界面应力随着工业现代化和装备制造业的发展，对各种机械设备零部件的表面性能要求越来越高。生产设备的破坏经常导致工厂停工停产、劳动生产率降低、成本增加，甚至发生火灾、爆炸等安全事故，造成经济等各类损失。因此要提高各种机械零部件的可靠性，延长其使用寿命，减少因设备破坏而导致的经济损失。为此，国内外许多专家学者都在提高零部件表面性能方面进行了大量的研究和探索工作。表面涂层（或薄膜）作为表面技术及复合表面技术中的重要一种，在现代材料设计中发挥着愈来愈重要的作用。目前，人们已经充分认识到表面涂层技术是一种涉及物理、化学、材料、力学等诸多交叉学科的新兴技术，具有广阔的应用前景。

涂层技术是指将各种有机、无机或混合涂料采用刷涂、浸泡、喷涂等方法涂覆于基体材料表面上，从而改善基体表面性能。表面涂层能够对金属材料起到防护、密封、抗磨、抗冲击、减振、隔热等作用，而且技术工艺简单，维修性好，可改善工作条件、提高金属产品的可靠性，延长其使用寿命1-3年。涂层的失效形式主要包括涂层表面裂纹、涂层剥落以及被涂覆零件变形。

在一般情况下，界面是一个薄膜状的薄层，可以忽略它的厚度。尽管如此，界面的厚度对材料的性能以及相关的受力过程依然有着重要的影响。所以，本文将研究低碳钢钢圆柱体上制备涂层后界面上的应力分析。根据两相物理状态的不同，物质的界面分为两大类。和物质接触的第二相物质若为气体，则其相界面称为表面；而其他二相体系的交界面，皆称为界面。

界面可分为气-液界面、液-液界面、气-固界面、固-液界面和固-固界面等。人们已经习惯地把液-气界面和固-气界面称为液体表面和固体表面（surface）。不论是表面或是界面，都不是一个几何面，而是具有几个分子厚的区域。

圆轴的拉伸、压缩和扭转实验是工程力学和材料力学教学中基本实验，而圆轴的扭转实验可以用来鉴定材料在纯剪切应力状态下的力学性能。本文为了探讨带油漆涂层的低碳钢钢圆柱体在扭转变形全过程中涂层和基体界面上的力学性能特点，我们进行了5次带油漆涂层的低碳钢钢圆柱体的扭转试验。试验中发现了一些关于界面剪切强度的现象。

由于设备的关系，在在本课题中，我们使用了喷涂的方式进行涂层的制备。而涂层材料为市场上常见的可立美牌高级自动喷漆，颜色为白色，用途广泛，性能良好。此产品为丙烯酸气雾漆，通过资料查阅可得其弹性模量E为2400N/mm2，泊松比为0.35，抗剪模量G为890.00N/mm2。同时，本试验采用了低碳钢（lowcarbonsteel）为本试验中试件的基体材料。

本试验所用基体材料为一直径为10mm，长度约为100mm的圆形棒材，两端切割成类矩形。基体试样分2个区，第一区包括2部分，即基体两头和中间部分，制备涂层时，基体两头无需制备涂层。在中间部分，涂层制备时将涂层材料均匀覆盖在基体试样此区表面，即可称之为涂层区。

用游标卡尺沿试样轴向等间距测量三处的直径d，直径值由左至右分别记录为d1、d2和d3。再在每处相隔90度各测一次直径d，直径值由左至右分别记为d4、d5和d6。测量结果记录于表格（略），在需取基体试样的直径值d进行计算时，应取6个直径值中的最小值为好。最小值分别为①号试样：10.00；②号试样：10.00；③号试样：10.00；④号试样：10.00；⑤号试样：10.10，单位为mm。

在基体试样制备前，基体试样的直径测量值已经录入表。如今，涂层试样已经制备完毕，我们也需要对涂层试样进行直径测量，测量方法与基体试样测量方法一样，测量结果录入表格（略）。与上表相同，在需要涂层试样直径值D进行计算时应取6个直径值中的最小值。最小值分别为①号试样：10.10；②号试样：10.14；③号试样：10.10；④号试样：10.10；⑤号试样：10.12，单位为mm。

CTT系列扭转试验机结构简单，操作方便，扭矩、扭角测量准确。具有自动对正，试样夹持预负荷自动消除、过载保护等功能，试验设定和试验过程自动跟踪，使操作更加简单方便，提高了工作效率。本试验机满足GB/T10128-1988《金属室温扭转试验方法》的要求，主要用于测量各种金属在扭转作用下的

等试验结果及其他相关数据。该机适用于大中专院校、质量检测部门、冶金行业、科研机构，及有关工矿企业等部门，是进行金属、非金属材料性能检验和研究的常用设备。该扭转试验机与计算机相连，在计算机上使用微机控制电子扭转试验机软件POWERTESTV_N3.0自动分析扭转过程并生成试样扭转时的扭矩—扭角、扭矩—时间图。

每个试验都是严格按照试验过程来进行的，但是因为每根试样拥有许多不同点，需要设置的参数也不一样，所以，每根试样的试验过程也不一样。以编号为①的试样的试验为例：试验在试样某处断裂后完成，试验结束后，计算机软件自动生成扭矩—扭角图和扭矩—时间图，并可用与计算机相连的打印机打印出与本试样相应的扭矩—扭角图和扭矩—时间图。

在此次扭转试验过程中，我们采用了喷涂技术制备涂层，而且在制备涂层前对基体有一个前处理的过程。在试验过程中我们并没有观察到涂层失效的现象，这说明制备的涂层性能十分优秀。而我们的低碳钢基体也由于有了一个前处理的过程，使得试验中的最大扭矩由未处理的70?80N?m上升到90N?m。

由于这两方面的原因，在试验过程中，我们依然得出了2个结论。

（1）基体/涂层的界面切应力大于所求得的切应力；试验所得的切应力范围为80.00-100.00GPa，而基体/涂层的界面切应力应大于此切应力值范围。

（2）若试样进行过前处理，那么此试样在试验中所受的最大扭矩会得到上升。试样所受到的最大扭矩由未做前处理的70?80N?m上升到前处理过之后的90N?m。

参考文献：[1]杨华，杨晓欢，刘明军等．涂装过程质量控制与检验读本[M]．北京：中国标准出版社．2006．9～9．[2]殷燕芳．涂层技术的应用研究．http：//lw.china-b.com/gxlx/20090304/5395921.html，2009-03-04．[3]王健，刘会成，刘新等．防腐蚀涂料与涂装工[M]．北京：化学工业出版社．2006．190～190．