Методы испытания механической прочности

клеевых соединений [71, 72]

Ниже описаны только некоторые из существующих многочисленных методов определения прочности клеевых соединений, наиболее распространенные в оте­чественной промышленности. При испытании прочности клеевых соединений не­обходимо фиксировать также характер разрушения образца. Различают сле­дующие виды разрушения:

— по склеиваемому материалу;

— по клею (когезионное разрушение);

— по границе раздела клей — склеиваемый материал;

— но защитному покрытию или адгезионному грунту;

— по границе раздела склеиваемый материал — грунт (покрытие).

Оценка доли каждого вида разрушения производится визуально с точностью 5—10% от номинальной площади склеивания.

При проведении испытаний рекомендуется клеевые потеки на испытуемых образцах после снятия давления осторожно зачистить, склеенные образцы до испытаний выдержать в комнатных условиях не менее, чем в течение 24 ч, при­чем образцы, склеенные термопластичными или гигроскопичными клеями, сле­дует хранить при 20±5°С и относительной влажности воздуха 55±5%. Испытания при повышенных или пониженных температурах проводят, помещая образ­цы в нагревательную или холодильную камеру. Нагревать образец надо равно­мерно, заданную температуру нужно поддерживать с точностью до 1 °С и кон­тролировать термопарой, помещенной в непосредственной близости от центра образца.

По характеру нагружения различают три основных вида испытаний:

— при сдвиге (напряжения в клеевом соединении главным образом касательные к поверхности склеивания);

— при отрыве (преимущественно нормальные напряжения);

— при отдире (отслаивании, расслаивании, неравномерном отрыве) — напряжения распределяются в каждый момент по линии, перпендикулярной направ­лению нагружения и находящейся вблизи кромки клеевого соединения.

Прочность при сдвиге. Для испытаний клеевых соединений при сдвиге можно использовать следующие схемы нагружения: растяжение, сжатие, круче­ние, изгиб. Наиболее распространены стандартные методы испытаний прочности при растяжении.

В отечественной практике для клеевых соединений металлов предусматри­вается (ГОСТ 14759—69) растяжение образцов в виде двух пластин размером 2X20X60 мм с одинарной нахлесткой длиной 15 мм. Длина каж­дой склеиваемой пластины выдерживается с точностью ±0,15 мм, ширина — с точностью 0,2 мм. Испытания проводят при скорости движения нагружающе­го зажима 10 мм/мин до разрушения образца. Разрушающее напряжение при сдвиге определяют по формуле:

где Р — разрушающая нагрузка; F — площадь склеивания.

Аналогичные зарубежные методы (США) предусматривают испытание об­разцов с меньшей длиной нахлестки (12,7 мм) при толщине пластин 1,63 мм. Кроме того, требуется изготовление клееных панелей, которые затем разрезаютна отдельные образцы шириной 20 мм, имеющие по концам нахлестки незачи-щенные клеевые потеки. В связи с этим при испытании зарубежных клеев по отечественному стандартному методу в большинстве случаев показатели проч¬ности при сдвиге соединений металлов получаются более низкими, чем это указывается фирмами-изготовителями.

Рис. Образец для определения разрушающего напряжения при сдвиге клеевых соединений металлов (15±0,5 мм — зона склеивания).

Рис. Образец для определения прочности на сдвиг при растяжении соединений сотовой конструкции.

Аналогичные методы могут быть применены также для испытания соеди­нений и других листовых конструкционных материалов. Для испытания прочно­сти при сдвиге растяжением клеевых соединений резины с металлом (при го­рячей вулканизации) образцы в виде металлических грибков размером 22,2Х Х22,4 мм с прослойкой резины толщиной 4 мм склеивают попарно встык, а затем испытываются на разрывной машине. Скорость движения нагружающе­го зажима машины — 50 мм/мин.

Прочность на сдвиг растяжением соединений сотовых заполнителей с об­шивками определяют на образцах, показанных на рис. Две панели из со­тового заполнителя, склеенные с тремя металлическими пластинами из стали или дуралюмина толщиной не менее 5 мм, нагружают до разрушения при постоян­ной скорости движения нагружающего зажима около 1 мм/мин. Разрушающее напряжение вычисляют по формуле

т ш P/2F

где Р — разрушающая нагрузка; F — площадь сдвига.

Вслучае разрушения по заполнителю метод позволяет рассчитывать модульупругости заполнителя [2].

Рис. Образец для определения прочности на сдвиг при растяжении клеевых соединений шпона в трехслойной фанере (при /=1,5—2,5 мм L=15 мм; при /=3 мм и более L=20 мм).

Рис. Склеенные заготовки и готовый образец для определения прочности клеевых соединений древесины при скалывании (ai=<Z2 = 25 мм для соединения дуба, граба или ясеня, ai=a₂=15 мм для образцов из дельта-древесины).

Для определений прочности при сдвиге растяжением многослойных мате­риалов (фанера, слоистые древесные пластики и т. д.) на образцах делают пропилы (надрезы), в результате чего образуются участки склеивания с одинарной нахлесткой. Расстояния между пропилами регламентируются стан­дартами на фанеру и зависят от числа слоев шпона и толщины фанеры. Ско­рость нагружения должна составлять 1000 Н/мин.

Прочность на сдвиг при сжатии (скалывание) определяют главным образом для клеевых соединений древесины и древесных пластиков. Древесину склеива­ют из брусков, заготовки разрезают на образцы и испытывают в спе­циальном приспособлении, передающем скалывающую нагрузку параллельно плоскости склеивания. Скорость нагружения 10—20 МПа в минуту.

Прочность при равномерном отрыве определяют главным образом на образ­цах стыковых соединений, имеющих цилиндрические склеиваемые части, так как в этом случае обеспечивается наиболее равномерное распределение напря­жений по площади склеивания.

Для клеевых соединений металлов (ГОСТ 14760—69) предусматривается склеивание цилиндрических образцов-грибков диаметром 25 мм.

Постоянная скорость движения нагружающего зажима 10 мм/мин.

Аналогичным методом определяется прочность при отрыве соединений рези­ны с металлом при вулканизации. Толщина слоя резины между металлическими грибками составляет 10 мм, скорость движения нагружающего зажима — 50 мм/мин. Для соединений резины с металлом без вулканизации толщина слоя резины между грибками должна составлять 3—4 мм.

Трехслойные панели сотовой конструкции испытывают на образцах-грибках цилиндрической формы со склеиваемой частью диаметром 60 мм. Между двумя грибками вклеивают сотовый заполнитель или цилиндрические образцы трех­слойных панелей с обшивками. Образцы испытывают при скорости движения нагружающего зажима 100—200 мм/мин.

Аналогично определяют прочность при отрыве соединений металла с твер­дыми теплоизоляционными и другими материалами невысокой прочности. В этом случае между двумя металлическими грибками вклеивают кружки приклеивае­мого неметаллического материала диаметром 60 мм и высотой около 10 мм.

Прочность при неравномерном отрывеопределяют только для клеевых со­единений металлов и высокопрочных композиционных материалов. Метод заключается в растяжении образца, состоящего из толстой пластины, склеенной с серединой тонкой металлической полосы, жестко закрепленной на двух опорах

Рис. Образец для определения Рис. Образец для определения Рис. Образец для

прочности при равномерном прочности при испытаний на отдир

отрыве клеевых соединений неравномерном отрыве с помощью барабана

металлов. клеевых соединений соединений обшивок

металлов. с сотовым

заполнителем.

Образец испытывают в специальном при­способлении, передвижные опоры которого сдвигают симметрично на расстоянии 200 мм; концы полосы жестко закрепляют с помощью винтов. Испытание проводят при скорости движения нагружающего за­жима 10 мм/мин. Результат-испытаний характеризуют погонным отрывающим усилием Р_Пог = Р1Ь (где Р — наибольшая нагрузка, Ь — ширина образца).

Прочность при отдире (отслаивании). Испытания на отдир (отслаивание) состоят в отделении гибкого элемента соединения, прикрепленного к другому гиб­кому или более жесткому элементу. Образец нагружают под углом 90 или 180°.

Прочность на уголковый отдир (отслаивание под углом 90 °С) для соединений металлов определяют на образцах, склеенных из двух полос толщи­ной 0,5 мм, размером 30X130 мм и длиной участка склеивания 100 мм. Не-склеенные концы полос (30 мм) отгибают вручную под углом 90°, закрепляют в зажимы испытательной машины и подвергают растяжению со скоростью 20— 25 мм/мин, определяя таким образом среднее погонное отдирающее усилие в Н на 1 мм ширины образца.

Испытания на отдир с помощью барабана применяют для опре­деления прочности склеивания обшивок с сотовыми заполнителями. Толщина металлических обшивок — 0,6 мм, ширина — 76 мм. Скорость нагружения 25— 50 мм/ мин. При испытании определяют средний крутящий момент отдира.

Для клеевых соединений многих неметаллических материалов (ткани, плен­ки, теплоизоляционные материалы и т. д.) испытание на отслаивание является основным, а в ряде случаев и единственно возможным. Отечественными методи­ками предусматривается отслаивание только под углом 180°.

Аналогичное испытание регламентировано и для клеевых соединений резины с металлом, резины с резиной, тканей с фанерой, рыхловолокнистой теплоизоля­ции с металлом и др. [2]. Ширина образцов составляет 25 мм для резин и тка­ней, 50 мм для приклеивания ткани к фанере и теплоизоляции к металлу. Ско­рость отслаивания (расслаивания) 100—ПО мм/мин, для соединений резины с резиной — 200 мм/мин. Среднее усилие отслаивания определяется по диаграм­ме, вычерчиваемой установленным на испытательной машине прибором-само­писцем.

Длительная прочность определяется только для клеевых соединений метал­лов и проводится при длительном статическом нагружении растягивающей на­грузкой образцов с односторонней нахлесткой по ГОСТ 14759—69. Предел дли­тельной прочности определяют, проводя последовательные испытания при раз­личных постоянных нагрузках вплоть до разрушения образца и вычисляя сред­нее по площади склеивания напряжение сдвига, вызывающее разрушение за определенное время (обычно 500 ч).

Усталостная прочность испытывается для клеевых соединений металлов при сдвиге или отрыве, используя образцы, соответствующие ГОСТ 14759—69 или ГОСТ 14760—69, при несимметричных знакопостоянных циклах нагружения рас­тягивающими нагрузками. Испытательная машина должна производить нагруже-ние с частотой 1000—3000 циклов/мин и коэффициентом асимметрии цикла г^0,1. Испытания проводят при заданном напряжении до достижения определенного числа циклов нагружения (обычно 10X10⁶). Для определения предела устало­сти испытания проводят при различном числе циклов нагружения до разрушения образцов.

Методы определения модуля сдвига и модуля нормальной упругости клея в клеевом соединении металлов при комнатной, пониженной (до —150 °С) и повышенной (до +400 °С) температурах в зависимости от природы клея и его назначения регламентированы соответственно ОСТ1—90245 и 246—76.

При проведении испытаний необходимо принимать меры предосторожности против ожогов от горячих образцов или приспособлений (работать в рукавицах, использовать специальные захваты и т. д.) и поражения электротоком. При ра­боте с жидким азотом и другими хладоагентами необходимо соблюдать правила безопасной работы с жидкими газами и охлаждающими смесями.