книги / 813

12

Окончание табл. 2

Рис. 7. Зависимости модуля Юнга (в диапазонах до 130 МПа (а) и до 50 МПа (б)) от температуры для разных марок резины

Рис. 8. Зависимости максимальных номинальных напряжений (а) и работы разрушения (б) от температуры для разных марок резины

Определение морозостойкости резины температуры по результатам определения модуля Юнга на Zwick Z100SN5A выполнено аналогично процедуре, реализованной при обработке данных DMA 242C, результаты приведены в табл. 4.

Полученные результаты испытаний образцов на растяжение до разрыва позволяют сделать следующие выводы:

14

1.Наиболее чувствительным к температуре параметром является модуль Юнга.

2.Резина марки 1 и по этому виду испытаний является наиболее пригодной по показателям морозостойкости для эксплуатации в широком диапазоне температур эксплуатации.

3.Существенно более прочной и энергоёмкой при разрушении

винтервале температур –20…+50 оС) является резина марки 3.

Анализ обобщенных в табл. 4 результатов оценки нижней границы диапазона работоспособности исследованных резин всеми методами показывает, что для резин марок 2 и 3 они существенно отличаются по температуре стеклования от величин, заданных в ТУ. Причины такого явления требуют дополнительного исследования.

Таблица 4

Обобщенные результаты определения температур стеклования и морозостойкости

Сделанные выводы необходимо воспринимать с учетом известной экспериментальной информации о влиянии различных неисследованных факторов на морозостойкость резин.

Морозостойкость резинового изделия часто ухудшается в процессе эксплуатации [5]. Например, образование микротрещин на поверхности изделия при длительном старении может вызвать его разрушение при охлаждении. Повышение остаточной деформации сжатия резин в процессе хранения или эксплуатации изделий снижает их морозостойкость. Так, после выдержки прокладок из резины на основе бутадиеннитрильного каучука (БНК) в сжатом состоянии при 150°С в течение 120, 720 и 1680 часов температура разуплотнения

15

повышается от –40 до соответственно –25, –15 и –4°С. В результате старения резины на основе ЭПТК (этиленпропилендиеновый каучук) в сжатом состояния при 150°С в течение 72 и 120 часов значение Тс повышаетсяс–60 до–56 и–38 оСсоответственно [5].

Морозостойкость peзин может также существенно понизиться из-за потери пластификатора в процессе старения изделия при повышенной температуре, из-за вымывания пластификатора контактирующими жидкими или газообразными средами, дополнительного сшивания резин с серной системой вулканизации сероводородом, присутствующим в перекачиваемых газах и жидкостях.

Библиографический список

1.Адамов А.А., Токарев А.Н., Осокин В.М. Оценка нижней температурной границы эксплуатации гермоэлемента электроизолирующей вставки трубопровода // Вычислительная механика: сб. науч. тр. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – № 7. – С. 3–10.

2.Бартенев Г.М. Структура и релаксационные свойства эласто-

меров – М.: Химия, 1979. – 288 с.

3.Бухина М.Ф. Техническая физика эластомеров – М.: Химия, 1984. – 224 с.

4.Зуев Ю.С. Разрушение эластомеров в условиях, характерных для эксплуатации. – М.: Химия, 1980. – 288 с.

5.Махлис Ф.А., Федюкин Д.Л. Терминологический справочник по резине. – М.: Химия, 1989. – 400 с.

Получено 5.10.2010

16

УДК 620.178.32

А.В. Бабушкин

Пермский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТИ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЖЕЛЕЗА

Приводится описание методик экспериментальных исследований порошковых пористых макроизотропных материалов на основе компактированного технически чистого железа. Испытания образцов порошковых композитов на усталость проводились как в условиях «простых» видов нагружения (изгиб при жестком и мягком нагружении, кручение), так и при нагружении, одновременно сочетающем в одном процессе два «простых» вида (изгиб с кручением, растяжение с кручением). Методики реализовывались по отношению к одному классу материалов, на протяжении нескольких лет, на основе принципиально различной материальной базы – испытательных машин. В работе также приведены методы анализа НДС в образцах, статистически обработанные результаты испытаний, построены кривые усталости равной вероятности. Приведен краткий анализ при сопоставлении результатов испытаний, проведенных в разных условиях.

Ключевые слова: порошковые материалы, усталость, расчет НДС методом МКЭ, экспериментальные кривые Веллера, сложное напряженно-деформированное состояние.

Накопленные за многие годы экспериментальные данные по усталости порошковых структурно неоднородных материалов и развитие материальной базы экспериментальной механики в Пермском государственном техническом университете привели к необходимости сопоставления данных, полученных в разных условиях, анализа их воспроизводимости и адекватности экспериментальных методик.

Как правило, целью исследований являлось построение кривых усталости равной вероятности, статистическая обработка экспериментальных результатов и определение ограниченных пределов усталости порошковых стуктурно неоднородных материалов. Объектом исследований, таким образом, являлись циклические свойства образцов из порошковых компактированных макроизотропных материалов. Для примера рассмотрим усталостные свойства пористого материала на основе порошков технически чистого железа (ОС.Ч.6-2, ПЖР3.200.28). Данный материал выбран в качестве модельного с целью исключения влияния примесной неоднородности порошкового композита. Прессо-

17

вание образцов осуществлялось двусторонним сжатием порошка железа в металлических матрицах. Пористость заготовок образцов прямоугольной формы варьировалась в диапазоне значений 0...30 % путем изменения давления прессования в пределах 200...800 МПа, при необходимости дополнительного снижения пористости проводился дополнительный цикл отпуска и допрессовки при давлении 800 МПа. Спекание образцов проводилось в атмосфере водорода при температуре 1200°С в течение двух часов. Окончательная форма образцам [1] придавалась путем проведения механической обработки. Для экспериментального исследования усталостной долговечности порошкового железа применялись образцы двух типов (рис.1) для испытаний на циклический изгиб и циклическое кручение в условиях жесткого кинематического и силового нагружения.

Рис. 1. Форма рабочей части образцов: а – плоских; б – осесимметричных

Испытания образцов проводились на специальных усталостных машинах-качалках, на машине УКИ-10, а также испытательном ком-

плексе Instron 8850.

Методики испытаний

Для испытаний на циклический изгиб плоских образцов (рис. 1, а) использовалась специальная машина-качалка, изображенная на рис. 2.

Машина осуществляет жесткое кинематическое нагружение сразу нескольких образцов (до десяти штук одновременно) с постоянной амплитудой перемещения активного захвата, что обеспечивает высо-

18

кую производительность при проведении длительных усталостных испытаний. Конструктивное решение с пространственным расположением образцов в захватах машины в различных параллельных плоскостях снижает до минимума их взаимное влияние при проведении усталостного эксперимента. Устройство машины обеспечивает возможность варьирования симметрией цикла (симметричный, отнулевой, асимметричный цикл). Машина снабжена индивидуальными и общим счетчиками циклов, индивидуальные счетчики автоматически отключаются при разрушении соответствующих образцов. Каждый образец испытывается в условиях консольного циклического изгиба при синусоидальной форме цикла с рабочей частотой 20 Гц.

Рис. 2. Машина для испытаний на циклический изгиб: а – общий вид; б – схема крепления образца в захватах испытательной машины

на циклический изгиб: 1 – образец, 2 – неподвижный захват (основание), 3 – подвижный захват (кинематический шарнир), 4 – тяга эксцентриковой муфты изменяемой длины; А1 – место измерения амплитуды прогиба образца, А2 – место измерения амплитуды перемещения оси подвижного захвата, B – расстояние от оси подвижного захвата до места крепления образца;

L – длина рабочей части образца

На усталостной машине УКИ-10, реализующей силовой изгиб при вращением образца, испытывались осесимметричные образцы (см. рис. 1, б). Фотография усталостной машины и схема крепления образца в захватах УКИ-10 представлены на рис. 3. Испытания на двухсекционной УКИ-10 стандартизованы, при этом частота вращения шпинделя, а значит, и частота нагружения образца может быть выбрана из двух значений – 50 и 100 Гц. В данном случае использовалась частота 50 Гц.

19

Рис. 3. Испытательная машина УКИ-10: а – общий вид, б – схема крепления образца: 1 – образец, 2 – подвижный захват (вращающийся шпиндель), 3 – подшипник, 4 – груз, L – длина рабочей части образца, B – плечо приложения нагрузки

На рис. 4 изображена специальная усталостная машина для испытаний осесимметричных образцов в условиях циклического кручения. Машина обеспечивает жесткое кинематическое нагружение одного образца при циклическом кручении с синусоидальной формой цикла частотой 20 Гц. Эта машина также обеспечивает возможность управления параметрами цикла и снабжена механическим счетчиком числа циклов нагружения.

Рис. 4. Машина для испытания на циклическое кручение: а – общий вид; б – схема крепления образца в захватах: 1 – образец, 2 – подвижный захват, 3 – неподвижный захват, 4 – тяга эксцентриковой муфты изменяемой длины, 5 – флажок

для измерения амплитуды, А1 – место измерения амплитуды, h – высота флажка, L – длина рабочей части образца

20