Selection of the method for samples preparation for determination of properties of bimetal layers

详细

The article considers the ways to prepare samples with chemical removal of the zinc layer. This describes an indirect method of determining material properties of the thin layer in a multilayer metal.

全文:

Распространение биметаллов в современном мере заставляет искать надежные и достоверные способы прогнозирования их поведения при обработке и дальнейшей эксплуатации. Для этого необходимо знать свойства каждого металлического слоя и условия контактного взаимодействия между слоями [1-3, 6, 12], так как неоднородность материалов может существенно влиять на деформацию [9-11]. Производить расчеты, опираясь на усредненные свойства материала, нецелесообразно, так как это может привести к неточности результата. К сожалению, экспериментально определить свойства каждого отельного слоя не всегда возможно. Если слой материала относительно большой (около 1 мм или больше), то сняв механически или химически сопряженный с ним материал, можно подготовить образцы для проведения испытаний и определить характер кривой упрочнения в процессе деформации слоя. Трудности возникают, когда один из слоев металла в биметаллической полосе составляет меньше миллиметра. В этом случае очень трудно оставить в образце равномерный тонкий слой (особенно если он составляет несколько сотых или десятых долей миллиметра) и провести с ним испытания для снятия механических характеристик и построения экспериментальной кривой упрочнения. В этом случае целесообразно воспользоваться косвенным методом получения свойств материала, проводимым, в Университете машиностроения на кафедре «Кузовостроение и обработка давлением» доцентом С.А.Типалиным. Сущность метода заключается в снятии зависимости силы растяжения от деформации для биметаллической заготовки, состоящей из двух слоев, и получения подобных характеристик отдельного, наиболее толстого слоя материала. Кривая упрочнения тонкого слоя строится как разность силы деформаций биметаллического пакета и одного слоя при равнозначной деформации. Производя перерасчет силы, возникающей в процессе деформации в напряжения с учетом площади сечения образцов, можем получить косвенную кривую упрочнения тонкого слоя биметаллического листа. Подготовка образцов производилась в лаборатории кафедры «Общая химия» под руководством зав. кафедрой Артамоновой И.В. и зав. лабораторией Годунова Е.Б. Кафедра оснащена необходимым оборудованием, на котором производились работы, связанные с химическим анализом и взаимодействием различных материалов[7, 8]. Для проведения эксперимента была подготовлена группа образцов из оцинкованной стали толщиной 0,6 мм с толщиной покрытия 0,05 мм. Целью эксперимента было снять химическим способом, как наиболее щадящим для стали, снять цинковое покрытие с основного стального слоя и провести над полученными образцами испытания на одноосное растяжение. Первоначально для растворения цинка планировалось применение раствора щёлочи NaOH в воде с концентрацией 6 моль/л. Образцы, погружённые в щёлочь, представлены на рисунке 1. Рисунок 1. Образцы оцинкованной стали в щелочном растворе Теоретически щёлочь должна была прореагировать с цинком как амфотерным металлом с образованием гидроксосоли (комплексной соли) и выделением газообразного водорода по следующей схеме: Железо, как менее активный металл, в реакцию с едким натром бы не вступило. Таким образом планировалось обеспечить сохранность основного слоя материала – стали. Однако образцы, находившиеся в щёлочи в течение 80 минут, внешне не претерпели сколько-нибудь значительных изменений (на образцах были видны лишь слабые следы воздействия раствора щёлочи), поэтому было принято решение снять цинковое покрытие соляной кислотой. Образцы сначала выдерживались в растворе соляной кислоты с соотношением 1:1 до прекращения выделения водорода в виде пузырьков (рисунок 2) , потом промывались в дистиллированной воде и проходили выдержку в щёлочи для нейтрализации остатков кислоты. Выдержанные образцы вновь промывались в дистиллированной воде и сразу же протирались насухо во избежание образования на поверхности стали коррозии. Рисунок 2. Образцы оцинкованной стали в растворе соляной кислоты На последних фотографиях представлены результаты эксперимента, при этом стоит обратить внимание на образец на фотографиях (рисунок 3), где весьма наглядно видна разница между очищенной и оцинкованной частями (образец был помещен в раствор частично). Следует обратить внимание на то, что соляная кислота взаимодействует и с железом, в связи с чем перед экспериментами на одноосное растяжение следует заново промерить толщину образца, чтобы учесть площадь его остаточного сечения. Данная работа выполнена в рамках подготовки студентов Технологического института Университета машиностроения с целью взаимосвязи теоретических и практических знаний, описанных в работах [4, 5]. Рисунок 3. Граница между очищенной от цинка и оцинкованной частью биметалла Выводы 1. Косвенный способ определения тонкого слоя металла работает, если возможно получить из биметаллического пакета образец однородного слоя с равномерной толщиной по всей испытуемой плоскости. 2. В случае определения свойств оцинкованного слоя косвенным способом, составляющего десятые и сотые доли миллиметра, целесообразно воспользоваться химическим способом удаления цинка соляной кислотой. Перед проведением экспериментов на построения кривой упрочнения следует провести замеры истинного начального сечения подготовленного образца.