Определение декоративных свойств покрытий

Определение цвета покрытий. Для измерения цвета покрытий пигментированными лакокрасочными материалами существуют три раз­личных способа: определение спектрального состава излучения или спек­тральных коэффициентов отражения или яркости отражающих свет образцов (спектрофотометрия); получение с помощью смешения окра­шенных световых потоков (или смешения цветов) цвета, тождественного измеряемому (колориметрия);. определение цветовых характеристик исследуемого цвета с помощью сравнения его с накрасками специальных альбомов цветов (атласы), имеющих количественную цветовую характе­ристику.

Для спекрофотометрических измерений цвета применяют регистри­рующий спектрофотометр СФ-10м или СФ-14, предназначенный для измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности прозрач­ных и мутных сред и коэффициентов диффузного отражения твердых и порошкообразных объектов в видимой области, Спектрофотометры СФ-10м и СФ-14 выпускает объединение ЛОМО, г. Ленинград.

Измерение цвета покрытий колориметрическим методом производят с помощью фотоэлектрического колориметра КНО-3 с непосредственным отсчетом цвета. Результаты измерения цвета на этом приборе получают в виде точки на стандартном цветовом графике, позволяющем опреде­лить координаты цветности х, у, а также доминирующую длину волны А, и чистоту цвета Р. Прибор дает возможность также измерить коэффи­циент яркости r покрытия путем сравнения с эталонной отражающей пластинкой.

Цвет лакокрасочных покрытий контролируют визуально, сравнивая с эталонными накрасками картотеки цветовых эталонов, выпускаемой опытным заводом ГИПИ ЛКП (ТУ КУ-292—61). Картотека представляет собой набор карточек с накрасками, каждая из которых имеет номер и соответствует цвету определенного лакокрасочного материала. Картотека разбита на 10 групп: группа красных цветов (номера от 1 до 99), оранже­вых (100—199), желтых (200—299). зеленых (300—399), синих (400—499), фиолетовых (500—599), коричневых (600—699), защитных (700—799), белых, серых и черных (800—899) и дополнительных (других) цветов (900 - 999). Пленки исследуемого лакокрасочного материала должны быть предварительно высушены в соответствии с требованиями технических условий. Сравнивают цвета при дневном свете, прикладывая одну краску к другой.

Склеивание металлов и неметаллических материалов конструкционными клеями склеивание металлов

Механические соединения металлов — сварные, паяные, заклепочные и болтовые — не всегда эффективны. Сварка разнородных металлов — сложный технологический процесс, причем в некото­рых случаях, например при сварке магния с алюминием, обра­зуются хрупкие соединения. Затруднительна сварка листов раз­личной толщины. Кроме того, при контакте двух различных ме­таллов возможно образование гальванической пары, способству­ющей протеканию коррозионных явлений. Сверление отверстий под заклепки и болты увеличивает затраты времени, удорожает производство, наличие отверстий снижает прочность металличе­ских конструкций. Сварные, паяные, заклепочные и болтовые соединения металлов подвержены коррозии, в большинстве случаев негерметичны и имеют негладкую поверхность. Кроме того, в заклепочных и болтовых соединениях возникает концентрация напряжений в местах расположения болтов и заклепок.

Клеевое соединение не ослабляет металл, как это бывает при сварке (в результате изменения свойств металла в области свар­ного шва), оно не подвержено коррозии, нагрузка в клеевом шве распределяется равномерно по всей площади сечения. В некото­рых случаях при использовании клеев возможно создание герме­тичных соединений, не требующих дополнительного уплотнения. Необходимо отметить, что использование клеевых соединений при­водит к снижению массы конструкций, так как дает возможность применять более тонкие металлические листы.

Предъявляемые к конструкционным клеям требования зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако во всех случаях швы конструкционных клеев должны быть менее жесткими, чем склеиваемые ими металлы, и иметь термические коэффициенты расширения, близкие к коэффициентам ме­талла.

Особое значение имеют требования к технологическому про­цессу склеивания. Желательно, чтобы процесс можно было про­водить при комнатной или сравнительно невысоких температурах, малых давлениях и достаточно быстро. Клеи должны хорошо за­полнять зазоры между склеиваемыми поверхностями, образуя прочные необходимой толщины клеевые швы без непроклеев.

Проектирование и создание легкой, прочной и долговечной металлической конструкции должно осуществляться с учетом осо­бенностей используемых клеев и специфики технологии их приме­нения [1—4].

Проектирование клееных металлических конструкций [5—13]

При проектировании металлических клееных силовых конструкций следует учитывать, что при равномерном распределении уси­лий по площади склеивания прочность соединения определяется удельной прочностью элементов соединения. Разрушение при нагружении должно происходить одновременно по всему слабому сечению. Произведение площади этого сечения на сопротивление материала разрушению дает величину несущей способности соеди­нения. Однако на практике разрушение при нагружении начина­ется непосредственно после того, как напряжение превысит проч­ность клеевого соединения, и возникает обычно сначала в опас­ной точке. Благодаря неоднородности поля напряжений среднее разрушающее напряжение для всего клеевого соединения оказы­вается, как правило, ниже минимального значения сопротивле­ния разрушению его элементов, причем оно тем меньше, чем вы­ше концентрация напряжений. Концентрация напряжений опре­деляется схемой нагружения, геометрической формой соединения, прочностью клеевого шва и склеиваемых материалов.

Несущая способность клеевого соединения зависит не только от прочности отдельных элементов соединения, но и от конструк­тивных факторов и условий работы изделия. Типичные конструк­тивные формы клеевых соединений по характеру распределения напряжений классифицируют следующим образом:

соединения, работающие на сдвиг, в которых возникают преимущественно касательные напряжения;

соединения встык, работающие на отрыв, в которых имеют ме­сто главным образом напряжения растяжения;

соединения, в которых появляются соизмеримые по величине касательные и нормальные напряжения.

Основные виды используемых на практике клеевых соединений приведены на рис. и

Самым распространенным типом кле­евого соединения является соединение внахлестку (рис). В соединениях внахлестку возникают преимущественно напряже­ния сдвига, причем на участках, близких к периферии площади склеивания, могут появиться и напряжения растяжения в направлении, перпендикулярном площади склеивания, что приводит к возникновению отдирающих усилий.

Это необходимо учитывать при расчете соединений.

При проектировании клеевых соединений длина и ширина нахлестки должны выбираться с учетом толщины металла. Если при заданной нагрузке разрушение происходит по металлу, то следует увеличить толщину металла или применить более прочный металл. Если же в соединении металл разрушается при нагрузках выше расчетных, можно уменьшить длину нахлестки.

Некоторые рекомендуемые конструктивные формы клеевых соединении приведены на рис.

Рис. Виды конструкционных клеевых соединений

Рекомендуемые конструктивные формы клеевых соединении.:

а — соединение встык (плохое);

б — внахлестку (хорошее и практичное);

в — нахлестка со скошенными краями (хорошее, но требующее точной подгонки);

г — усовое (хорошее, но требующее механической обработки кромок);

д — усовое (хорошее и практичное);

е — с на­кладкой (неплохое, но редко применяемое);

ж — с утопленной двойной накладкой (хоро­шее, но требующее механической обработки);

и — полушиповое (хорошее, но требующее ме­ханической обработки);

к — со скошенными накладками (хорошее, но трудоемкое в изго­товлении);

л — двойная нахлестка (хорошее);

м — усовое с двумя скошенными накладками (очень хорошее, но требующее механической обработки и сложной подгонки).

При действии растягивающих нагрузок на соединенные внахлестку элементы конструкции максимальные напряжения растяжения возникают у границ клеевого соединения. Такое распределение деформаций наблюдается не только в клеевых, но и в заклепочных и сварных соединениях внахлестку. Отношение максимального напряжения T_макс к среднему напряжению T_ср называется коэффициентом концентрации п [9, 10]. Коэффициент п является функцией длины нахлестки l, модуля сдвига G, толщины клеевого слоя d, модулей упругости Е\ и Е₂ и толщины S₁ и S₂ обоих склеиваемых элементов. Эта функциональная зависимость выражается формулой:

где

Д - Gl²/E₂S₂d

ад

Если склеивают два одинаковых материала, то

-£- = / VG/2ESd

Зная показатели механических свойств клея и склеиваемых материалов, размеры клеевого соединения и разрушающее напря­жение соединения на данном клее, можно рассчитать прочность при сдвиге Р рассматриваемого соединения по формуле

Р = T_срF = T_макс/nlb

где b — ширина нахлестки; F — площадь клеевого соединения; п — коэффициент концентрации напряжений.

Рис. Клеевое соединение внахлестку, подвергаемое действию сдвигающих сил Р

Для определения разрушающего напряжения клеевого соеди­нения, в котором длина нахлестки и толщина материала могут меняться, предложен [6, 9, 10] коэффициент соединения

a = /s77

Для одного и того же клея, отвержденного в одинаковых условиях, при изменении S и I представляется возможным установить

Рис. Зависимость среднего разрушающего напряжения при сдвиге клеевых соединений внахлестку от коэффициента ys/l (температуры испытания 25 и 260 °С).

Рис. Зависимость прочности при сдвиге клеевого соединения стали внахлестку от длины нахлестки (температуры испытания 25 и 260 °С).

Рис. Зависимость прочности склеивания при сдвиге от коэффициента соединения (рис. 3.4).

Анализ влияния различных конструктивных факторов на прочностные характеристики клеевых соединений внахлестку показывает, что концентрация напряжений возрастает с увеличением длины нахлестки, не зависит от ширины нахлестки, медленно возрастает с повышением модуля сдвига клея и медленно снижается с увеличением модуля упругости, толщины металла и толщины клеевого слоя.

Рис. Зависимость прочности при сдвиге соединения внахлестку от толщины металла и длины нахлестки l

1. l=12.7 мм;

2. l=25,4 мм;

3. l=127 мм.

Наилучшей конструкцией соединения внахлестку следует признать такую, в которой длина нахлестки невелика, клей эластичен, клеевая прослойка достаточно толстая, а склеиваемый материал жесткий и также имеет большую толщину.

Формальный анализ напряжений, возникающих в клеевом соединении, приводит к выводу о том, что в конструкциях следует применять толстую и нежесткую клеевую пленку. В действитель­ности это не так: из опыта известно, что клеевые соединения с толстой клеевой пленкой имеют обычно низкую прочность, а клен с чрезмерно большой эластичностью отличаются высокой ползу­честью под нагрузкой и не могут быть использованы в силовых конструкциях. Вместе с тем хрупкие клеевые пленки также не­желательны вследствие малой когезионной прочности, небольшого термического коэффициента линейного расширения и наличия в большинстве случаев значительных внутренних напряжений.

Рис. Влияние конструкции соединения из дуралюмина на клее БФ-2 на прочность соединения при статическом сдвиге.

Совершенно очевидно, что общая прочность (а не разрушающее напряжение при сдвиге) клеевого соединения увеличивается прямо пропорционально ширине нахлест­ки, которая может превышать ее длину. Изменение прочности при сдвиге в зависимости от длины нахлестки показано на рис, а влияние длины нахлестки и толщины металла на прочность при сдвиге клеевых соединений внахлестку — на рис. 3.6. Прочность при сдвиге клеевого соединения с односторонней накладкой (рис.) несколько выше прочности соединения внахлестку.

Рис. Рекомендуемые размеры поперечного сечения элементов, склеиваемых с об­шивкой.

Прочность соединения с односторонней нахлесткой или на­кладкой двух материалов неодинаковой толщины занимает про­межуточное положение между прочностью соединения двух тол­стых материалов и прочностью соединения двух тонких, причем ближе к последнему показателю. Усиливающее действие толстого элемента обусловливает большую равномерность распределения напряжений сдвига по длине клеевого шва и уменьшает ослаб­ляющее действие неравномерного отрыва. В симметричных со­единениях с двухсторонней нахлесткой или накладкой (см. рис) ослабляющее влияние нормальных напряжений почти исключено.

Прочность при сдвиге клеевого соединения внахлестку повы­шается, если кромки скрепляемых элементов скошены, чем дости­гается более плавное изменение их сечений (см. рис). Наи­большую прочность имеют усовые соединения, в которых напря­жения более равномерно распределяются по длине шва. Это пре­имущество наиболее сильно проявляется при действии перемен­ных нагрузок.

В некоторых случаях, когда по тем или иным соображениям возникает необходимость в применении термостойких клеев, как правило, не обладающих эластичностью, или если для изготовле­ния конструкций используют тонкие металлические листы, целе­сообразно для усиления конструкции ставить у наружных кромок временные (при сборке) или постоянные (при эксплуатации) заклепки или применять точечную сварку.

Еще раз необходимо подчеркнуть, что при выборе формы клеевого соединения очень важно учитывать, что его прочность при сдвиге и равномерном отрыве значительно больше прочности при неравномерном отрыве. При сдвигающих напряжениях разрушающей силе противостоит большая часть клеевого слоя, в то время как напряжения при неравномерном отрыве действуют почти исключительно вдоль небольшого узкого участка клеевого слоя, расположенного перпендикулярно направлению приложения нагрузки.

На рис. приведены рекомендуемые размеры поперечного сечения элементов жесткости, склеиваемых с обшивкой, а на рис.— различные профили элементов каркаса, приклеиваемых к обшивке. Полки таврового сечения элементов, уменьшающиеся по толщине в направлении кромок клеевого шва, предотвращают коробление и обеспечивают получение прочного соединения. Профили в, г и д (рис. 3.9) более эффективны, чем а и б.

Рис. 3.9. Профили элементов каркаса, приклеиваемых к обшивке.

При расчете прочности клеевых соединений необходимо учи¬тывать также влияние на прочность склеивания природы метал¬ла, способа предварительной обработки поверхности, отклонения от заданного режима склеивания, изменения прочностных свойств, условия эксплуатации конструкции и т. д. Так, клеевые соединения алюминиевых, титановых и медных сплавов во многих случаях обладают пониженной прочностью по сравнению с со¬единениями стали при использовании одного и того же клея. Однако некоторые клеи являются исключением: наиболее высокие показатели прочности достигаются не при склеивании стали, а при склеивании титановых сплавов.

Не следует забывать, что длительное нагружение и повышение температуры снижают прочность клеевых соединений.

Рассматривая клеевые соединения встык, представляющие со­бой торцовые соединения двух элементов, следует различать три варианта напряженного состояния:

напряжения растяжения, перпендикулярные плоскости склеи­вания, равномерно распределены по всей площади склеивания;

напряжения растяжения распределены по всей площади склеивания, но неравномерно;

растягивающие напряжения распределены не по всей площади склеи­вания, а сконцентрированы около кромки клеевого шва.

Зависимость прочности при сдвиге клеевого соединения от продолжительности пребывания под нагрузкой при различных температурах (алюминиевый сплав толщиной 1,6 мм, длина нахлестки 33 мм).

В зависимости от того, одинаковы или различны по жесткости склеиваемые материалы, в последнем случае происходит расслаи­вание или отслаивание.

Идеальные условия чистого отрыва встречаются на практике очень редко. Обычно из-за трудностей, связанных с подгонкой склеиваемых поверхностей, происходит их смещение, в результа­те чего при нагружении появляются напряжения изгиба. Уже при незначительных изгибающих нагрузках или при наличии неравно­мерного отрыва (и отдира) прочность клеевых соединений встык резко снижается, причем уменьшение прочности в этом случае тем меньше, чем больше площадь склеивания. Поэтому чаще все­го стыковые соединения применяют или в сочетании с соедине­ниями внахлестку, или при склеивании больших поверхностей. Если применение таких соединений оказывается необходимым, то нужно предусмотреть их усиление: местное утолщение металла, подкрепление клеевого шва заклепками или сваркой и др.

Следует помнить также, что прочность клеевого соединения при неравномерном отрыве может быть в десятки раз меньше прочности при равномерном отрыве и что она зависит от толщи­ны материала: чем толще металл (например, обшивка), тем проч­нее соединение.

Учитывать следует еще одно обстоятельство — прочность при неравномерном отрыве соединений на некоторых клеях (напри­мер, эпоксидных) при повышенной температуре (в определенном интервале) может несколько возрасти, по-видимому, за счет уве­личения податливости клеевого слоя и перераспределения на­пряжений.

Для выбора клеев для конкретной конструкции важное зна­чение имеют также показатели длительной прочности и усталост­ные характеристики.

Необходимо напомнить и о влиянии толщины шва и внутрен­них напряжений на прочность, характеристики когезионных свойств клеящих полимеров, в особенности модули упругости и др. К сожалению, систематических данных по этим вопросам в литературе недостаточно. Большое значение для оценки свойств клеев и клеевых соединений, в частности эластических характери­стик и поведения при отдире, имеют модули упругости.

На прочность клеевых соединений влияют также свойства ме­таллов— чем выше модуль упругости листового металла, его пре­дел пропорциональности и временное сопротивление растяжению, тем выше прочность его клеевых соединений при сдвиге.