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
作者：袁捷虹、肖泽柱 工作单位：河源理工学校 所在城市：广东河源 邮政编码：517000
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。在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等各类恶劣条件下工作的零部件，往往因其表面局部损坏而使整个零部件报废，最终导致设备破坏。设备的腐蚀损坏将影响生产的稳定。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。
表面涂层技术作为材料改性的重要手段 ,可用于制备各种特殊功能的涂层 ,它可以用极少量的材料起到大量、昂贵的整体材料所难以起到的作用，又能降低产品的加工成本。所以表面涂层技术可以提高材料的综合性能。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。
本文要论述的为带涂层的低碳钢钢圆柱体界面的切应力计算，金属基体为低碳钢钢圆柱体，涂层为一白色油漆涂层。故其切应力的计算公式与其他不同，假设此低碳钢钢圆柱体，直径为d，其表面制备有一油漆涂层，制备好的试件直径为D。
在带涂层的低碳钢钢圆柱体上，假设涂层与低碳钢基体之间粘接良好，涂层均匀。故可认为基体和涂层在弹性范围内，两者的变形是协调的，即横截面的扭转角，但考虑到两者材料的差异，所以，两者的角应变（）、半径（）、剪切模量（）是不同的。基体用下标1表示，涂层用下标2表示。联立各种公式，基体上的切应力和涂层上的切应力公式为
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为2400，泊松比为0.35，抗剪模量为890.00。同时，本试验采用了低碳钢(low carbon steel)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、d 2和d 3。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d 4、d 5和 d 6。横向的最左端、中间端和最右端的直径分别为d1、d 2和d 3，纵向的最左端、中间端和最右端的直径分别为d 4、d 5和d 6。
测量结果记录于表1，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。
表1 基体试样的直径d/mm
图1 带涂层的最终试样
在基体试样制备前，基体试样的直径测量值已经录入表1。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，测量结果录入下表2。与表1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。
表2 涂层试样直径值D/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抗扭强度、切变模量、规定非比例扭转应力和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POWER TESTV_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—时间图如下，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。
图2 计算机软件自动生成扭矩—扭角图和扭矩—时间图
图3 ①号试样扭转试验过程及结果图
由图所得结果及公式求得结果：在扭矩—扭角图中，我们可以计算出的值，联立公式，公式，公式以及在扭矩—扭角图中计算出来的的值，最终可得剪切模量公式为
此剪切模量为基体低碳钢的剪切模量，而涂层材料为丙烯酸气雾漆，其剪切模量经过查询资料可得到。
而极惯性矩则可由公式（1）
和公式（2）
求得，且基体的极惯性矩用实心圆轴的计算公式即用式（1）求解，而涂层的极惯性矩用空心圆轴的计算公式即用式（2）求解，即可求得两者的极惯性矩。
基体直径值d与涂层基体直径值D由表1与表2直接取得。
由计算机软件自动生成的扭矩—扭角图和扭矩—时间图中，可知最大扭矩。
试样长度统一为100mm。
所求得各结果列表如下：
表3 计算结果
根据理论分析的内容可知，基体的切应力和涂层的切应力公式为
由上述公式可知，要求得基体的切应力和涂层的切应力，首先要先求出扭矩以及两者的剪切模量和极惯性矩。这些结果已在表3中。
首先由①号试样开始进行结果分析，由表3可得，基体直径为10.00mm，带涂层的试样直径为10.10mm，长度，最大扭矩，基体的剪切模量为，涂层材料的剪切模量，基体的极惯性矩，涂层的极惯性矩。将上述所得的、、和、等数值代入公式。
对②号试样进行结果分析，将、、和、等数值代入公式。
对③号试样进行结果分析，将的、、和、等数值代入公式。
对④号试样开始进行结果分析，将、、和、等数值代入公式。
对⑤号试样开始进行结果分析，将、、和、等数值代入公式。
从试验过程中我们知道，涂层在试样断裂的时候依然没有剥落等涂层失效的现象发生，这说明我们制备的涂层性能十分优秀，但是这次试验并没有达到我们的要求。我们希望能研究基体/涂层的界面性能，而这次的试验却没有观察到涂层失效的现象，所以，下次的试验需要用更大的精力去做到更好。虽然这次我们没能观察到涂层失效的现象，但是我们还是可以得到一个结论，基体/涂层的界面切应力大于我们在上述结果分析中所求得的切应力。
结 论
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上升到。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。
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。
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上升到前处理过之后的。
参考文献
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．
殷燕芳．涂层技术的应用研究．http://lw.china-b.com/gx lx/ 20090 304/53959 21.html，2009-03-04．
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．
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