книги / Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов

зиошюго соединения идет так же интенсивно, как при полном влагонасыщении.

3. Термообработка покрытий в масле является эффективным средством их защиты от влагопоглощепия. Процесс маслоиасыщения также может приводить к разупрочнению покрытий. Од­ нако для большинства сортов масел, применяемых в машино­ строении, максимальное снижение адгезии не превышает 20— 2о % ■

9.6. Зависимость адгезионной прочности покрытий от температуры их эксплуатации

Изменение температуры адгезионного соединения полимеров сопровождается изменением его адгезионной прочности, что не­ однократно подтверждалось результатами экспериментов [23, 64, 253] и совершенно очевидно с точки зрения модели п. 9.3.

Обычно повышение температуры приводит к снижению адге­ зионной прочности. При кратковременном нагреве это сниже­ ние имеет обратимый характер: при охлаждении соединения его прочность восстанавливается, но при длительных или повторных нагревах происходит со временем накапливание необратимых изменений. Исследования показали, что эти изменения в опреде­ ленной степени могут быть снижены за счет введения некоторых мел кодиснсрсных наполнителей.

Принимая по внимание, что снижение адгезионной прочности полимерного слоя неизбежно следует за изменением его коге­ зионной прочности, для них можно предложить единую зависи­ мость от температуры согласно [198]:

° Л Т ) = Ы т. ) - £ ^ т -

где О л(Т)— прочность при текущем значении температуры Т\ о а(Тл) — начальная прочность при нормальной температуре Ти; Гпл — температура плавления полимера. Эта зависимость счи­ тается справедливой в диапазоне температур 293—380 °К.

Известны и другие работы, в которых исследовано влияние температуры на прочность полимеров. Например, в работе [223]

Коэффициент h для полиамидной смолы П-68 равен 0,35 Мн/м2 X

флуктуационной теорией прочности. Согласно исследованиям

них напряжений, которые возрастают с понижением темпера­ туры. Чтобы уточнить это явление, была проведена серия опы­ тов по испытанию адгезионной прочности полимерных покрытий с различными видами наполнителей. Поскольку с точки зрения необратимых изменений наиболее опасными являются верхние пределы температурного интервала эксплуатации, испытания на штифтовых образцах были проведены главным образом при па­

зиций при температурах выше нормальной, изменение адгезион­ ной прочности достаточно точно описывается линейной зависи­ мостью вида (9.39). Установлено, что величина обратимого сни­ жения адгезионной прочности с повышением температуры зави­ сит не только от вида наполнителя, но и от его процентного содержания б (рис. 9.22). Из всех рассмотренных вариантов наиболее высокую термостойкость покрытиям обеспечили: пе- озон-Д, окись алюминия и медь. В табл. 9.4 приведены значения коэффициента Л, полученные экспериментальным путем для по­ крытий из различных по составу материалов.

Таким образом, зная значение адгезионной прочности по­ крытия при нормальной температуре, можно рассчитать и се ве­ личину при нагреве. Однако, как отмечалось ранее, в процессе длительного воздействия повышенной температуры происходит деструкция адгезионных связей, что при отсутствии нагрузки и постоянной температуре приводит к снижению во времени адгезионной прочности по линейному закону. Ее текушее значе­ ние а/ при нормальной температуре будет равно

о< = (l — t!То exp

402

Таблица 9А

Значение коэффициента пропорциональности между адгезионной прочностью покрытий и температурой

в момент нагружения

где ап— начальное значение адгезионной прочности при нор­ мальной температуре; t — время с момента начала теплового воздействия. Если нагружение соединения происходит при той же температуре Т, то адгезионная прочность Gt>как было только что установлено, будет иметь еще меньшее значение:

Последнее выражение полностью учитывает обратимые и необ­ ратимые изменения адгезионной прочности полимерного покры­ тия при продолжительном (в течение времени t) повышении температуры Т.

9.7. Влияние нагрузок

Подвижные сопряжения машин подвержены воздействию значительных переменных нагрузок, изменение которых носит случайный характер. Однако наряду с ними имеют место и дру­ гие нагрузки, колебания которых во времени определяются вполне стабильными закономерностями. Например, это усилия, передаваемые на подшипники двигателей внутреннего сгора­ ния; реактивные силы в узлах трепня поворотных платформ экскаваторов н подъемно-транспортных машин; нагрузки, возни­ кающие в подшипниках скольжения трансмиссий и т. д. Здесь, как правило, известен диапазон изменения силового фактора как но величине, так н по частоте, которая в ряде случаев мо­ жет быть значительной.

С точки зрения расчетов на долговечность подобный харак­ тер нагрузок для адгезионных соединений, в принципе, может быть учтен с помощью критерия Бейли. Однако характерные для полимеров гистерезисные явления в переменном силовом поле приводят к появлению локальных возрастаний темпера­ туры, что неизбежно отражается на физико-механических пока­ зателях. Сложность этого явления заключается в том, что оно происходит на уровне микрообъемов и оценить их фактическую величину в реальных условиях практически невозможно. Судить о них можно только по косвенным проявлениям, например, сни­ жению технической прочности деталей.

Последствия воздействия переменных нагрузок для прочно­ сти адгезии и самого полимера могут различаться. Влияние ме­ таллической подложки, обладающей хорошей теплопроводно­ стью, должно снизить температурные проявления гистерезиса на границе адгезив — субстрат. С другой стороны, если прини­ мать во внимание, что адгезионная прочность соединения в ряде случаев определяется дефектным слоем полимера, то есть все основания ожидать аналогии в характере снижения прочности полимера п его адгезионного соединения.

Хотя вопросы усталостной прочности полимеров п их адге­ зии еще находятся в начальной стадии своего решения, однако применительно к клеевым соединениям уже накоплен определен­ ный экспериментальный материал. Известно, например, об их более высокой усталостной прочности по сравнению с заклепоч­ ными н сварными соединениями [266]. Поскольку результатов исследований, посвященных данному вопросу, применительно к антифрикционным покрытиям в литературе нет, целесооб­ разно обратить внимание па выводы, полученные в результате испытаний клееметаллических соединений.

За базовое число для усталостных испытаний клеевых кон­ струкций обычно принимается 107 циклов. Эга величина совпа­ дает с условиями испытаний металлов, для которых она обосно­ вана многократно проверенной логарифмической зависимостью между пределом усталости и числом циклов нагружения. Для адгезионных соединений экспериментального материала в этом направлении получено пока недостаточно, поэтому окончатель­ ный вывод о базовом числе циклов сделать трудно. Установле­ но, что для клеевых соединений, как и для металлов, снижение усталостной прочности зависит от характеристики цикла J252]. Симметричный цикл обычно является наименее благоприятным. Он сопровождается наибольшим снижением прочности. С пол­ ным основанием можно предположить, что для антифрикцион­ ных покрытий характеристика цикла также будет проявлять свое влияние, поэтому при постановке эксперимента, направ­ ленного на изучение их усталостной прочности, целесообразно выдержать ту закономерность изменения напряженного состоя­ ния образцов, которая имеет место при работе покрытия в ре­

404

альных узлах механизмов. В работе [276] при склеивании ме­ таллов не наблюдалось повышения температуры за счет гистерезиоиных потерь, т. е. здесь отмечено положительное влияние теплопроводности субстрата. Но в другом исследовании при изучении соединений металла с резиной [266], наоборот, за­ фиксирован значительный саморазогрев. Очевидно, проявление этого фактора обусловлено низкой теплопроводностью значи­ тельного по толщине слоя резины. В работе [276] исследовано влияние переменных нагрузок на изменение кратковременной статистической прочности клеевых соединений. Показано, что с уменьшением амплитуды нагружения ее снижение проявля­ ется в меньшей степени. И при определенном значении перемен­ ной нагрузки, принимаемой за предел усталости, ее отрицатель­ ное воздействие совсем не проявляется.

В связи с рассматриваемым вопросом следует отметить дан­ ные о повышении усталостной прочности самих металлов, на которые наносится полимерное покрытие [23]. Этот эффект объясняется положительным влиянием остаточных напряжений со стороны полимерного слоя. Однако при его исследовании применительно к полиамидным покрытиям было установлено, что увеличение усталостной прочности металлов достигается только за счет пескоструйной обработки подложки перед нане­ сением покрытия. Последующее нанесение полимерного слоя усталостной прочности не увеличивало. С другой стороны, из­ вестна работа [291], в которой установлено, что пескоструйная обработка подложки снижает усталостную прочность клеевых соединений и с этой точки зрения она является наименее рацио­ нальным способом подготовки детали, хотя и обеспечивает бо­ лее высокую кратковременную адгезионную прочность. Уста­ лостная прочность клеевых соединений зависит также от вида используемых наполнителей. В частности, положительное влия­ ние на нее оказывают волокнистые наполнители [210]. Подоб­ ные закономерности могут быть предсказаны и на основе теоре­ тического анализа. Гораздо большего внимания заслуживает вопрос о влиянии частоты нагружения. Как известно, для ме­ таллов зависимость усталостной прочности от нес практически не проявляется. Что касается полимеров, то с учетом характер­ ных гистерезисных явлений такая зависимость кажется вполне очевидной. Вместе с тем известны работы [172, 211], в которых при исследовании клеевых соединений она не обнаружена в до­ вольно широком диапазоне частот.

Рассматривая напряженное состояние антифрикционных по­ крытий, следует выделить те силовые факторы, которые предоп­ ределяют его переменный характер. Причем с точки зрения адгезионной прочности отрицательные нормальные напряжения не должны оказывать значительного влияния на утомляемость полимерных покрытий, особенно полиамидных, с их способно­ стью к деформации без изменения объема. Изменение напря­

405'

женного состояния полимерного покрытия может быть вызвано двумя причинами. Первая — изменение внешней нагрузки, пе­ редаваемой на подшипник скольжения. Вторая — изменение по­ ложения покрытия относительно действующей на него силы. Если при этом ее величина в свою очередь зависит от времени, то характер динамического воздействия существенно усложня­ ется. В тех конструкциях подвижных сопряжений, где полимер­

трения. Если покрытие нанесено на неподвижную втулку или вал, то зона трения относительно полимерного слоя не изменяет своего расположения. Колебания нагрузки в этом случае обус­ ловлены только изменениями внешней силы.

В данной работе при изучении усталостной прочности адге­ зионного соединения полиамидных покрытий принято в расчет, что явление утомляемости при циклическом нагружении может проявляться прежде всего в тех узлах, которые работают при достаточно больших скоростях. В таких условиях происходит накопление большого числа циклов, при которых проявляется явление разупрочнения адгезии. Как правило, конструктивно здесь предусматривается обильная смазка, поэтому, оценивая величину силы трения, передаваемой па покрытие, следует ис­ ходить из соответствующих малых значений коэффициента тре­ ния. Его величина для различных составов полимерных компо­ зиций при различных температурных условиях, типах смазки и так далее будет исследована в гл. 10. Для проведения экспе­ риментальных исследований усталости были использованы об­ разцы, изображенные на рис. 9.23, которые представляли собой два склеенных стальных цилиндра (Ст. 5) диаметром 20 мм. Круглая форма образцов снижала влияние концентраторов на­

406

пряжений. Принятые размеры обеспечивали нм металлоемкость,, близкую к массе реальных деталей, что позволяло соблюдать идентичность технологических режимов. В задачу исследований не входило изучение влияния среды на полимерный слой, по­ этому здесь применение склейки было вполне оправдано, так как она давала ряд практических преимуществ: удобную пере­

рожно удалялся. Подготовленный таким образом к испытаниям образец изображен на рис. 9.23, б.

Нагружение образца во время испытания производилось так, чтобы в месте склеивания возникали только касательные на­ пряжения. Максимальные значения переменных сдвигающих усилий приняты равными 785 и 1727 Н. Этим значениям соот­ ветствуют касательные напряжения в адгезионном соединении: 2,5 и 5,5 МПа. Наибольшее число нагружений принято равным 107. Для испытания образцов была спроектирована и изготов­ лена специальная установка, с помощью которой можно незна­ чительным усилием создавать в полимерном покрытии достаточ­ но большие переменные нагрузки. Схема установки изображена на рис. 9.25. Электродвигатель / через кривошипно-шатунную систему 2 связан с пружиной 3, которая находится па рычаге 4Уукрепленном одним концом на шарнире 5. Второй конец ры­ чага опирается на оправку б, в которой установлен образец 7,. состоящий из двух половин, соединенных с помощью полимер­ ного слоя 8. Линия контакта рычага и оправки находится в од­ ной плоскости с этим слоем, благодаря чему в нем создаются только касательные напряжения, что и требуется по условиям

407

испытаний. Для предварительного поджатая пружины 3 имеется гайка 9. Величина этого поджатия ограничивается втулкой 10. Возле оправки 6 расположен концевой выключатель /У, который отключает питание электродвигателя в случае разрушения об-

Рис. 9.25. Схема установки для испытания адге­ зионной прочности в условиях действия перемен­ ных сдвигающих пагрузок

разца. Регулирование частоты нагружения может производиться изменением числа оборотов кривошипа 12, к валу которого при­ соединен счетчик числа оборотов для фиксирования циклов на­ гружения. Кривошип установки выполнен в виде эксцентричного вала и насаженного на него с помощью шлицов дополнитель­ ного эксцентрика, переставляя который, можно ступенчато регу­ лировать их общий эксцентриситет, т. е. изменять длину кри­ вошипа 12. Таким образом устанавливалась соответствующая максимальная величина переменной нагрузки.

Установка работает следующим образом. Перед началом ис­ пытания с помощью гайки 9 производится полное разгружение пружины 3. После этого в оправку 6 вставляется подготовлен­

408

ный для испытания образец 7. Затем пружина 3 поджимается гайкой 9 до упора во втулку 10. При включении двигателя пру­ жина, периодически деформируясь передает усилие на рычаг 4>

9.25) , работает следующим образом. Рычаг установки 1 (рис. 9.26) упирается в корпус датчика 2, который давит на выступ

представлены на рис. 9.28. Кривые 1, 2, 3 показывают изменение адгезионной прочности после нагружения их сдвигающими уси­ лиями 1727; 785 и 390 Н. Каждая точка является усредненным

409