脆性塗層法

實驗應力分析方法的一種。此法是用一種特殊的塗料塗在工程構件或模型表面結成脆性層，載入后根據塗層的裂紋確定主應力方向和估計主應力大小的一種全場實驗方法。當此構件由於載入而產生的應變在某點達到一定的臨界值時，該點的塗層就出現一條和主應力方向垂直的裂紋。把同一載荷下所有裂紋的端點連接起來，連接線上各點具有相等的應力值，稱為等應力線。通過逐級載入，可得到幾乎遍布整個塗層表面的裂紋圖，和對應於不同載荷的等應力線。

在生產實踐中，人們早就發現在熱軋鋼構件表面的氧化層上，凡出現裂紋或剝落的地方，就是材料已進入塑性狀態的區域。後來，人們在某些構件上塗了石灰水，不僅顯示出塑性區，還能增加裂紋的清晰度，這就是用脆性塗層測定應力的開端。1932年，德國O.迪特里希和E.萊爾首次提出脆性塗層法，用以指示彈性應變。1937年，G.埃利斯製成一種可用來指示彈性應力分佈的脆性塗料，使這種方法得到廣泛的應用。

脆性塗料 主要有樹脂型和陶瓷型兩種。

樹脂型 由樹脂、溶劑和增塑劑組成，應用較廣。通過增減增塑劑的含量，可改變塗層的靈敏度，以適應不同溫度、濕度等試驗條件。這種塗層一般在500～700微應變時開裂，但可根據試驗的要求，採用特殊的處理技術，使開裂的應變提高到1500微應變以上，或降低到100 微應變以下。這類塗料，雖已達到無臭味、不易燃、毒性低和濕度影響小的要求，但它的靈敏度仍明顯地受到溫度的影響。因此，不僅應根據試驗時的溫度、濕度條件選擇具有不同靈敏度的塗料，而且在試驗時應使溫度、濕度儘可能保持穩定。這種塗料塗到構件上后，須在室溫條件下養護24小時，或在比試驗時溫度高3～6℃的烘箱中養護12～16小時，達到完全乾燥而結成脆性層。這類塗料只能在試驗溫度低於38℃時應用。

陶瓷型 主要原料是懸浮在揮發性載體中的瓷粉，它的靈敏度比較穩定，在油、水等介質中進行試驗時，也不降低。在高達370℃的試驗溫度下，仍可應用，因而試驗精度較高。這種塗料塗在構件上，在空氣中乾燥而成為鬆軟的粉末，在510～595℃的高溫下焙燒到完全融熔，冷卻后就凝聚成脆性層。

應用 構件在試驗前，表面應先拋光，除凈油污、鐵鏽和漆皮，然後噴上一層鋁粉漆，以提高裂紋清晰度，待底漆乾燥后，即可噴塗脆性塗料。塗層應厚薄均勻，厚度一般為0.15毫米左右。塗料經養護處理結成脆性層后，即可對構件進行載入試驗。一般採用逐級載入法，每次載入后，將所有裂紋的端點勾畫出來，標上所對應的載荷或代號，直到整個塗層表面布滿裂紋，或最高應力區將進入塑性狀態時為止。若無法進行逐級載入，可在構件的幾個對稱部分上，或在幾個完全相同的構件上，塗以不同靈敏度的塗料，在完全相同的條件下進行試驗，以獲得對應於不同靈敏度的裂紋圖和等應力線。有時還可在塗層表面塗上染色劑，或利用靜電技術以增加裂紋清晰度。

進行定量分析時，須對塗層進行標定。通常在試驗的同時，對特製的標定梁（用和構件相同的材料製成，和構件同時噴上塗料，並在相同的條件下進行處理）施加某固定的載荷，或使構件產生一定的撓度，測出塗層開裂的應變ε*。

構件中的主應力通常按下式計算：

,

式中σi為第i條等應力線上各點的主應力；Pi為第i條等應力線所對應的載荷；P為構件實際應受的載荷；E為構件材料的彈性模量；ε*為塗層開裂的應變。

脆性塗層法可直接用於測試各種材料製成的工程構件，既可以在實驗室內，也可以在現場進行試驗。對於確定最大應力區和主應力方向，此法顯得特別方便和有效。在嚴格控制溫度、濕度的實驗室條件下，對零件在靜態載荷、動態載荷或衝擊載荷作用下的應力分佈進行定量測定，也能達到工程設計所要求的精度。此外，還可用此法測量殘餘應力。

試驗時溫度、濕度的變化以及載入時間和歷程等因素，對樹脂型脆性塗層的靈敏度有明顯的影響，因而測量精度也必然受到影響。陶瓷型脆性塗層雖有較高的測量精度，但因焙燒溫度太高，應用範圍受到一定的限制。另一方面，計算應力的常用公式只在單嚮應力狀態時才是準確的，在雙嚮應力場中會有一定的誤差。因此，脆性塗層法主要用於定性分析，並作為電阻應變計測量技術的輔助方法，即用它測出最大應力區和主應力方向，以便確定測量的重點區域和粘貼應變計的方向，從而節約大量應變計和測量時間。如果把此法廣泛用於定量分析，還須研製靈敏度更加穩定的脆性塗料和探討塗層在雙嚮應力作用下的開裂理論和計算公式。

參考書目

A. J. Durclli， E. A. Philips　and　C. H. Tsao，Introduction to the Theoretical and Experimental Analysis　of　Stressand　Strain, McGraw-Hill,New York,1958.