一种剪应力下涂层‑基体界面拉伸强度测试的试验装置的制作方法

本发明涉及涂层界面结合强度测量领域，具体是涉及一种剪应力下涂层-基体界面拉伸强度测试的试验装置。

背景技术：

现今涂层的应用领域十分的广泛，在工程实际中，涂层与基体之间的良好结合直接决定着材料的服役寿命。因此研究如何表征测量涂层与基体界面结合强度变得尤其重要。界面拉伸强度和界面剪切强度的测量是最常见的表征界面结合强度的两种方法。界面拉伸强度和界面剪切强度分别是表征涂层-基体材料在结合界面起裂瞬时作用在界面上的最大正应力和最大剪应力，分别反映了涂层-基体结合界面抵抗拉伸与剪切破坏的能力。

但现实情况中，涂层-基体界面结合处的破坏情况往往非常复杂，涂层从基体表面的脱离可能既受拉应力的影响，同时也会受到剪切应力的影响。当涂层-基体界面结合处既受拉应力又受剪切力时，界面强度如何变化还需进一步去深入研究。

而本发明旨在提供一种测量效率高、操作方便、自动化程度高的考虑剪应力对涂层-基体界面拉伸强度影响的试验装置，为考虑既受拉应力又受剪切力作用时基体-涂层的界面结合强度定量研究奠定了实验基础。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种测量效率高、操作方便、自动化程度高的考虑剪应力对涂层-基体界面拉伸强度影响的试验装置。为考虑不同剪应力作用下涂层-基体界面结合拉伸强度变化情况的定量研究奠定了实验基础。

一种剪应力下涂层-基体界面拉伸强度测试的试验装置，包括步进电机、上固定板、中固定板，下固定板、轴承座、竖直旋转轴、水平旋转轴、试样、角度测量板、粘接块、锁链、砝码块、可调旋转筒和支撑架；所述的试样包括基体和其端面上的涂层；所述的步进电机联接有所述的竖直旋转轴；所述水平旋转轴水平安装在所述的竖直旋转轴上，且所述的水平旋转轴的背部固定有所述的角度测量板，端部固定有所述的试样；所述的粘接块一端与所述的试样涂层端粘接，且所述的粘接块另一端通过所述的锁链与所述的砝码块联接；所述的可调旋转筒与所述的水平旋转轴联接且内部设有所述的砝码块。当步进电机带动竖直旋转轴旋转时，该装置可通过控制可调旋转筒的旋转角度来改变施加在涂层与基体界面结合处剪切力的大小，进而实验测量不同剪应力下涂层-基体界面拉伸强度的变化情况。

所述的步进电机固定在所述的下固定板上，所述的下固定板与所述的支撑架固定，所述的步进电机的输出轴通过联轴器与所述的竖直旋转轴联接。

所述的支撑架上还分别固定有所述的上固定板和所述的中固定板，它们中间位置上分别安装有所述的轴承座，轴承座通过内部的轴承与所述的竖直旋转轴联接，确保了所述的竖直旋转轴的工作稳定可靠。

所述的水平旋转轴通过键联接和上端的螺母固定联接在所述的竖直旋转轴上，一端面内部设有一长方体状孔，且上端设有一定大小的通孔，通孔直径小于长方体状孔截面边长，具体的，长方体状孔深30-60mm，长方体状孔的截面边长等于1.5~3倍的通孔直径。

所述的试样基体一端部为长方体状，端部上面设有一与所述的水平旋转轴上端通孔同一大小的通孔，所述的试样基体长方体状端部正好可嵌入水平旋转轴端面内部的长方体状孔内，且两个通孔同心，然后可通过螺栓联接将所述的试样固定在所述的水平旋转轴上。

所述的试样涂层端与所述的粘接块用强力粘接剂粘接，强力粘结剂的粘接强度大于涂层-基体界面的结合强度。

所述的可调旋转筒可绕所述的水平旋转轴旋转，且其背部固定有指示块，指示块上有测量可调旋转筒旋转角度的指示箭头，指示块背面固定有圆柱滑块，圆柱滑块可在所述的角度测量板上的圆弧形凹槽内滑动，并可通过所述的角度测量板背面对应的固定螺钉固定。

所述的粘接块、涂层和锁链重量均可忽略不计。

本发明的有益效果是：本发明测量效率高、操作方便、自动化程度高；提供了一种考虑剪应力对涂层-基体界面结合拉伸强度影响的试验装置，为考虑不同剪应力作用下涂层-基体界面结合拉伸强度变化情况的定量研究奠定了实验基础。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置的部分分解示意图。

图3为本发明装置的砝码块与涂层-基体界面的剖视图。

图4为本发明装置的涂层-基体局部放大图。

图5为本发明装置的砝码块与涂层-基体界面受力分析图。

图中，1-步进电机，2-竖直旋转轴，3-水平旋转轴，4-支撑架，5-上固定板，6-轴承座，7-角度测量板，8-可调旋转筒，9-中固定板，10-下固定板，11-螺栓，12-基体，13-涂层，14-强力粘接剂，15-粘接块，16-锁链，17-砝码块，18-固定螺钉，19-圆柱滑块，20-指示块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图5所示，本发明的一种剪应力下涂层-基体界面拉伸强度测试的试验装置，包括步进电机1、上固定板5、中固定板9，下固定板10、轴承座6、竖直旋转轴2、水平旋转轴3、试样、角度测量板7、粘接块15、锁链16、砝码块17、可调旋转筒8和支撑架4；所述的试样包括基体12和其端面上的涂层13；所述的步进电机1联接有所述的竖直旋转轴2；所述水平旋转轴3水平安装在所述的竖直旋转轴2上，且所述的水平旋转轴3的背部固定有所述的角度测量板7，端部固定有所述的试样；所述的粘接块15一端与所述的试样涂层13端粘接，且所述的粘接块15另一端通过所述的锁链16与所述的砝码块17联接；所述的可调旋转筒8与所述的水平旋转轴3联接且内部设有所述的砝码块17。当步进电机1带动竖直旋转轴2旋转时，该装置可通过控制可调旋转筒8的旋转角度来改变施加在涂层与基体界面结合处剪切力的大小，进而实验测量不同剪应力下涂层-基体界面拉伸强度的变化情况。

所述的步进电机1固定在所述的下固定板10上，所述的下固定板10与所述的支撑架4固定，所述的步进电机1的输出轴通过联轴器与所述的竖直旋转轴2联接。

所述的支撑架4上还分别固定有所述的上固定板5和所述的中固定板9，它们中间位置上分别安装有所述的轴承座6，轴承座6通过内部的轴承与所述的竖直旋转轴2联接，确保了所述的竖直旋转轴2的工作稳定可靠。

所述的水平旋转轴3通过键联接和上端的螺母固定联接在所述的竖直旋转轴2上，一端面内部设有一长方体状孔，且上端设有一定大小的通孔，通孔直径小于长方体状孔截面边长，具体的，长方体状孔深30-60mm，长方体状孔的截面边长等于1.5~3倍的通孔直径。

所述的试样基体12一端部为长方体状，端部上面设有一与所述的水平旋转轴上端通孔同一大小的通孔，所述的试样基体12长方体状端部正好可嵌入水平旋转轴3端面内部的长方体状孔内，且两个通孔同心，然后可通过螺栓11联接将所述的试样固定在所述的水平旋转轴3上。

所述的试样涂层13端与所述的粘接块15用强力粘接剂14粘接，强力粘结剂14的粘接强度大于涂层-基体界面的结合强度。

所述的可调旋转筒8可绕所述的水平旋转轴3旋转，且其背部固定有指示块20，指示块20上有测量可调旋转筒8旋转角度的指示箭头，指示块20背面固定有圆柱滑块19，圆柱滑块19可在所述的角度测量板7上的圆弧形凹槽内滑动，并可通过所述的角度测量板7背面对应的固定螺钉18固定。

所述的粘接块15、涂层13和锁链16重量均可忽略不计。

具体操作过程如下：

（1）将准备好的试样基体12长方体状端部一端嵌入在水平旋转轴3端面内部的长方体状孔内，将两者上端的通孔同心对齐，然后通过螺栓11联接固定好，然后在试样涂层13端涂抹上强力粘接剂14，并将带有一定长度锁链16的粘接块15一并粘接在试样涂层13上；

（2）给锁链16的另一端固定安装上一个已知质量为m的砝码块17。之后将可调旋转筒8安装在水平旋转轴3的一端，调节好固定在可调旋转筒8背面的指示块20，使其上面的指示箭头能准确指向角度测量板7上标定的角度，同时固定在背面的圆柱滑块8能在角度测量板7上的圆弧形凹槽内滑动，将砝码块17连同锁链16一并放入安装好的可调旋转筒8的通孔内。转动可调旋转筒8，使其与水平成一θ角，然后通过角度测量板7背面的固定螺钉18固定，测量出此时的砝码块17重心位置到竖直旋转轴2旋转中心的水平距离R；

（3）开启步进电机1，使得竖直旋转轴2以一定的转速n绕旋转中心旋转，此时试样与砝码块17一并做圆周运动；

当θ= 0时，可调旋转筒8水平固定，筒内的砝码块17在可调旋转筒8的支撑下作水平的旋转，有：

其中：F_离为水平方向上砝码块17受到的离心力

近似认为此时涂层-基体界面结合处只受水平方向的拉力F_拉，不受垂直的剪切力F_剪，且有 F_拉=F_离；

当θ> 0时，对砝码块17受力分析得：

其中：F_链为砝码块17受到的锁链16的拉力

F_压和F_支为砝码块17受到的可调旋转筒8内壁的压力或支撑力

F_离为水平方向上砝码块17受到的离心力

mg为砝码块17自身的重力

根据上式可求得F_链的大小，再根据涂层-基体界面结合处所受的拉力和剪切力公式：

可求得作用在涂层-界面结合处的拉力和剪切力值；

（4）逐渐增大竖直旋转轴2的转速n,则F_离也会逐渐增大。当涂层-基体界面处发生断裂，涂层13连同砝码块17一起被甩出时，记录下此时的转速n；

（5）则当θ角为0时，F_剪=0，界面结合处的拉伸强度为：

其中：A为涂层-基体界面横截面积

为界面结合处的平均拉伸强度

当θ角逐渐增大时，F_剪也逐渐增大，则可通过测量不同大小的剪切力F_剪作用下涂层-基体界面结合处临界拉伸断裂所需的拉力F_拉，来研究考虑剪应力对涂层-基体界面拉伸强度影响。