книги / Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов

420 кДж/моль для стекла н 220 кДж/моль для полиметплмстакрилата.

Однако при исследовании кинетики мсханолюминесцснции кристаллов фтористого лития авторы [95] нашли, что энергия

можно упомянуть только несколько работ, непосредственно относящихся к рассматриваемому вопросу. Наибольший мето­ дологический интерес представляет работа Скудра и Кирулис [115], в которой исследовалась адгезионная прочность эпоксид­ ной смолы к стеклу при одновременном действии нормальных и тангенциальных сил. Испытания проводились на образцах, конструкция которых позволяла изменять соотношение этих сил, что достигалось изменением направления прикладываемой нагрузки.

В свете рассматриваемого вопроса определенный интерес могут представить исследования прочностных свойств самих по­ лимеров в условиях высокого давления.

Современные представления о разрушении адгезионных сое­ динений полимеров и металлов исходят из того, что чаще всего оно имеет когезионный характер. Если принимать в расчет такой механизм разрушения, то должно быть учтено повышение прочности адгезива па сдвиг с увеличением гидростатического

давления ш , которое может быть значительным. Например, для капрона при давлении 0,1 МПа октаэдрическое касательное напряжение равно 44 МПа, при давлении 30 МПа оно уже 61 МПа, при 50 МПа достигает 68 МПа и т. д. Эксперимен­ тально установлено, что для кристаллических полимеров уве­ личение предела текучести с ростом гидростатического давле­ ния (примерно до 500 МПа) происходит по линейному закону, а затем замедляется. Причина этого процесса обусловлена ис­ чезновением микродсфсктов, обычно существующих в виде тре­ щин, размер которых соизмерим с длиной световой волны. На закрытие дефектов и появление «бездефектной» упаковки в об­ ласти высоких давлений указывается в работе [1].

Известны работы, в которых исследовано сопротивление сдвигу относительно тонких слоев различных материалов, в основном металлов [45]. Во всех случаях установено увели­ чение усилия сдвига при увеличении давления. В наибольшей степени это характерно для висмута и сурьмы. В области отно­ сительно низких давлений по мере их увеличения сопротивление сдвигу растет быстрее, чем при больших давлениях. Предпола­ гается, что такое поведение материалов связано с хрупким ме­ ханизмом их разрушения, который при высоких давлениях пере­ ходит в сдвиговый. По-видимому, такое же поведение можно ожидать и у многих полимерных материалов [1].

В заключение этого короткого обзора можно отметить, что работ, посвященных изучению едвигоустойчивости материалов, известно довольно много. Однако их результаты имеют пока только косвенное отношение к рассматриваемому вопросу.

Специфика рассматриваемой в данной работе проблемы потребовала создания и обоснования надежной и достаточно простой методики для оценки адгезионной прочности полимер­ ных покрытии в условиях сдвига и контактных давлений.

смазке или сухом трении. Поскольку в таких узлах контактные зоны ограничиваются сравнительно небольшой площадью, это дало возможность принять размеры образцов и схему их на­ гружения, показанные на рис. 10.27, 10.28. Основная часть об­ разца — корпус 1, в который вставлен бронзовый штифт 2. Штифт имеет продольный разрез на две трети длины, начина­ ющийся с торца шлицем под отвертку. Штифт 2 предусматри­ вает скользящую посадку в отверстии корпуса, но за счет пред­ варительного расширения продольного разреза он в своей ниж­ ней части плотно прилегает к стенкам отверстия и благодаря этому не изменяет своего положения в процессе подготовки об­ разцов к опытам. На всю верхнюю плоскость образца нанесено полимерное покрытие 5. Рабочей поверхностью образца явля­ ется верхний кольцевой торец корпуса /.

452

Подготовка образца к испытаниям проводилась в следующей последовательности. На корпус 1 одевалась шайба 3, которая закреплялась на нем винтом 4. В шайбе имеется отверстие для установки термопары. При этом верхние торцы шайбы и корпуса находились в одной плоскости. После этого они подвергались дробеструйной обработке и обезжириванию ацетоном. Затем

штифт 2 покрывался сверху слоем копоти и вставлялся в отвер­ стие корпуса. В таком виде образец был готов к нанесению на пего полимерного покрытия. Для этого использовалось не­ сколько различных по составу композиций на основе полиами­ дов. Их отбор проводился на основе результатов исследования антифрикционных свойств, стабильности адгезии и т. д.

После нанесения покрытие протачивалось па токарном станке до толщины слоя 0,5 мм. Во время этой операции обра­ зец в трехкулачковом патроне крепился за корпус 1. После про­ точки перед испытанием винт 4Уфиксирующий шайбу 3, ослаб­ лялся. Штифт 2 с помощью отвертки проворачивался в отвер­ стии корпуса. Таким образом, адгезия между ним и полимер­ ным покрытием равнялась нулю.

Преимущество предложенной конструкции заключалось в том, что здесь, в отличие от склеиваемых образцов, покрытие, как н у штифтовых, наносилось и формировалось на металличе­ ской поверхности, т. е. при условиях, аналогичных процессу создания покрытий на реальных деталях.

Для нагружения образцов было изготовлено специальное устройство, которое давало возможность создавать на образце нормальное сжимающее усилие и крутящий момент, т. е. реа­ лизовать схему нагружения, представленную на рис. 10.28. Преимущества предлагаемой схемы заключаются в том, что здесь, как и в реальных условиях, происходит нагружение и ис­ пытание не склейки, а нагруженного полимерного покрытия. При этом, несмотря на небольшие размеры нагружаемой зоны

453

и значительные контактные напряжения, полимерный слой не подвергается холодному течению, так как он ограничен сосед­ ними объемами полимера, т. е. находится в тех же условиях, что и при нагружении иа реальной детали. У предложенной конструкции образцов коэффициент концентрации касательных напряжений может считаться равным единице |253]. Это до­ стигается за счет малой ширины кольцевого соединения. Уста­ новленный внутри образца штифт позволяет наносить сплош­ ное покрытие, благодаря чему при сжатии его штампом устра­ няется возможность деформирования полимера в радиальном направлении. При этом существенно упрощается расчетная схема в исследуемой области. Снижается влияние погрешно­ стей, которые при других условиях должны были бы возник­ нуть из-за граничных эффектов. Деформирование полимерного покрытия над всей кольцевой поверхностью его адгезионного соединения с корпусом происходит без возможности бокового расширения. Благодаря антиадгезионной подготовке штифта и его предварительного поворота относительно корпуса, он исклю­ чается из работы соединения иод нагрузкой.

Общий вид устройства, на котором проводилось испытание образцов, изображен на рис. 10.29. Плечо 6 ключа 3 достигало 0,5 м. Благодаря этому при самых высоких значениях адгези­ онной прочности усилие на нем не превышало 30 Н. Такая не­ значительная нагрузка не создавала заметного реактивного усилия в образце, поэтому при постановке эксперимента оно в расчет не принималось.

Испытания подготовленных образцов на прочность прово­ дились в следующей последовательности. Образец 2 ввинчи­ вался своей резьбовой частью в стейку станины 1. На его шайбе закреплялся ключ 3. К полимерному слою с помощью винта 5 через динамометр 4 и упорный подшипник 8 поджи­ мался штамп 7. По динамометру устанавливалась заданная на­ грузка на штамп. После этого образец устойчиво закреплялся иа испытательной машине Р-5. Здесь к рычагу 6 ключа 3 при­ кладывалось окружное усилие. Фиксировалась величина воз­ никающего крутящего момента во время разрушения адгезион­ ного соединения. По этому значению н величине приложенной заранее сжимающей нагрузки рассчитывались соответствующие значения касательных и нормальных напряжении.

Перед началом опытов было проведено измерение момента сопротивления в упорном подшипнике, что давало возможность в дальнейшем корректировать значение прикладываемого к ад­ гезионному соединению крутящего момента, который переда­ вался к шайбе через пружинное устройство, обеспечивающее постоянную скорость нагружения. Скорость нагружения соеди­ нения крутящим моментом составляла 0,015 Нм/с. Перед на­ гружением образца с тыльной стороны шайбы в зону ее сопря­ жения с корпусом подавалось веретенное масло для снижения

454

влияния фрикционных явлений, которые могут возникнуть между ними при сдвиге шайбы.

Исследование адгезионной прочности проводилось с разными по составу полимерными покрытиями на основе нескольких

А-А

Рис. 10.29. Устройство для нагружения образцов:

1 - станина; 2 —испытуемый образец; 3 — ключ для нагружения шайбы крутящим мо­ ментом; 4 -- динамометр для измерения давления; 5 —нагружающий винт; 6 —рычаг ключа; 7- штамп; S—подшипник качения упорный

Рис. 10.30. Зависимость адгезион­ ной прочности а* с от пеличины давления р:

марок полиамидных материалов. Отдельные графики получен­ ных экспериментальных зависимостей изображены на рис. 10.30. Все они показывают, что при возникновении давления проч­ ность соединения на сдвиг увеличивается. Однако по мере

455

роста давления этот положительный эффект постепенно снижа­ ется.

Математическая обработка результатов испытаний позво­ лила выявить следующую закономерность между прочностью на сдвиг сг*с и давлением р со стороны штампа:

ПЛ-бб/6. Смола ПА-66/6 была испытана без наполнителя и на­ полненная 15 % порошковой меди. Результаты эксперимента изображены точками. Сплошные лилии — расчетные кривые, полученные с помощью выражения для а*с для полимеров без наполнителей. Значения его, а и с определились методом наи­ меньших квадратов.

Результаты опытов указывают, что введение наполнителей фактически не изменило пи качественный, ни количественный характер зависимости адгезионной прочности от давления. Вместе с тем положительный эффект давления для двух марок полиамида оказался неодинаковым. У смолы П-68 он проявля­ ется в значительно большей степени.

Испытания, проведенные с другими композициями, показали, что значения параметров а и с зависят от вида используемого наполнителя, причем, как правило, с увеличением их процент­ ного содержания эти параметры возрастают. В табл. 10.10 све­ дены результаты, полученные для целого ряда композиций. Эти данные могут быть использованы для практических расчетов.

Особый интерес вызывает вопрос о влиянии внешнего давле­ ния со стороны жесткого штампа па долговечность, т. е. энер­ гию активации процесса разрушения U0 и коэффициент чувст­ вительности к механическим нагрузкам у.

Анализ графиков, представленных на рис. 10.30, и данных, сведенных в табл. 10.10, показывает, что величина, на которую увеличивается адгезионная прочность с возрастанием давления, нс зависит от температуры (293 и 353 К).

можно записать

0„ = ± (у „ -к П п ^ ),

где а.с — прочность на сдвиг; то — предэкспоненциальный мно­ житель 10-п —1СН3 с. Тогда изменение прочности при измене­ нии температуры на величину Т2— Ti = АТ будет

До.с = k ~~~ In——. Y т0

456

Таблица 10.10

Значения расчетных параметров для определения адгезионной прочности полимерных покрытий

при действии контактных давлений

Поскольку эта разность при всех рассмотренных значениях давления была одинаковой, можно сделать вывод о том, что параметр у с увеличением давления не изменяется.

С помощью этого же выражения можно по двум значениям прочности, установленным при разных температурах, найти ве­ личину у:

Сцелью изучения влияния давления на величину параметра

убыли проведены испытания образцов па долговечность при постоянной нагрузке и варьируемом давлении. Опыты ставились на покрытиях из смолы ПЛ-66/6 по следующей методике.

Подготовленные к испытаниям и прогретые до температуры 325 К образцы устанавливались на станине 1 (см. рис. 10.29). Затем на шайбах закреплялся ключ 3. С помощью нагружаю­ щего винта 5 через штамп 7, подшипник 8 и динамометр 4 на полимерном покрытии образца создавалось давление: 10, 20, 30, 40 МПа. На рычаге ключа закреплялся груз, который под­ бирался таким образом, чтобы при заданном давлении создать напряжения в пределах 80—90 % от предела прочности. Для сохранения заданной температуры все части испытуемого уст­ ройства были предварительно прогреты. После создания на-

457

грузки на рычаге устройство в собранном виде помещалось в термостат. По секундомеру фиксировалось время от начала нагружения до момента разрушения адгезии.

Результаты опытов сведены в табл. 10.11. Там же по уста­ новленному ранее параметру у представлены значения £Ль рас­ считанные с использованием описанной ранее методики. Анализ

наполнителя. Следовательно, при их подборе для узлов трения целесообразно учитывать не только снижение коэффициента трения, но и повышение адгезионной прочности, что может дать значительно более ощутимый эффект.

С другой стороны, снижение чувствительности адгезии к ме­ ханическим напряжениям при действии контактных давлений,

458

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3.Александров А. П. Морозостойкость высокомолекулярных соединений//Тр. 1 и II конф. по высокомолекулярным соединениям.— М.; Л.: Тех­ издат, 1945. С. 19—52.

4.Александров А. Я., Ахмсдзянов М. X. Поляризационно-оптические

методы механики деформируемого тела.— М.: Наука, 1973.— 576 с.

5.Алехин В. П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов.— М.: Наука, 1983.— 280 с.

6.Альшиц И. Я.* Благов Б. Н. Проектирование деталей из пластмасс: Справочник.— М.: Машиностроение. 1977.— 215 с.

7.Алыинц И. Я. Полимерные покрытия металлических изделий.— М.: НИИмаш, 1968.— 266 с.

211с.

10.Артамонова Р. В. Внутренние напряжения и диффузия воды в нолимсрах//Высокомолекулярныс соединения.— 1970.— Т. 12. Выи. 2.— С. 336—342.

11.Бабиков Д . Ф. Изучение статического сопротивления полиамидов при

й влияние на псе различных факторов//Ж\трнал технической физики.— 1955.—

Т.17.— Выи. 11. — С. 2503—2512.

14.Бартенев Г. М. К теории cvxoro трепня рсзшш//Докл. АН СССР.—

1954.— Т. 96.— Ко 6.— С. 1961— 1968.

15.Башкарев А. Ям Лебедев А. Ам Стукач А. В. Исследование долго­ вечности узлов строительных машин с полимерным покрытием//Исследование рабочих процессов строительных и дорожных машин.— Сб. пауч. тр.— Яро­ славль, ЯПИ, 1983, с. 71— 73.

16.Башкарев А. Ям Миронов Н. И., Семенов В. П. Пластмассы в строи­

тельных и землеройных машинах.— Л.: Машиностроение, 1981.— 191 с.

17.Башкарев А. Ям Петров В. А. Кинетика формирования н прочность адгезионных соединений термопласт—металл//Механика композитных мате­ риалов.— 1987.— Ко 4.— С. 700—705.

18.Белый В. А., Довгяло В. А., Юркевич О. В. Полимерные покрытия.— Минск: Наука и техника, 1976.— 416 с.

19.Белый В. А., Егоренков Н. И., Плескачевский Ю. М. Особенности

460