Лако-красочные материалы — производство

1.2.1. Воздействие растягивающих усилий

При испытаниях на растяжение, рассмотренных в предыдущем разделе, когда об­разец имеет заданную площадь поперечного сечения Л и усилие F, приложенное к зажимам разрывной машины, растягивающее напряжение <7 определяется выра­жением:

<у-Н/А. (2 1)

Растягивающее напряжение является важным техническим понятием соглас­но которому нагрузка отнесена к единице площади поперечного сечения образца. Большинство материалов различного тина могут демонстрировать одинаковое со­противление но отношению к приложенной нагрузке, если площадь поперечного сечения образца практически одинакова. Удлинение характеризует изменение дли­ны образца при воздействии растягивающих усилий. Удлинение образца оценива­ют, исходя из его исходных размеров. Таким образом, если исходную длину образца определить как /{| и длину (перемещение) образца после определенного числа воз-

действия приложенного растягивающего напряжения как /, то значение є может быть описано выражением:

е ‘ (/ — /„)//<, (2.2)

где е — техническая деформация при растяжении.

Необходимо заметить, что техническая деформация при растяжении является безразмерной величиной и обычно представляется в виде дроби или умножается па 100 для получения значения в процентном исчислении. Эту характеристику кроме того иногда называют удлинением[7].

Диаграмма «напряжение-деформация» может быть получена при испытаниях на разрывной машине. Образец с определенной площадью поперечного сечения нагружают растягивающим усилием и, как показано на рис. 2.4, определяют удли­нение материала. Па графике значение растягивающего напряжения откладывают но оси у. а значение технической деформации при растяжении — по оси х. При не­которых температурах испытаний для многих материалов характерны диаграммы «напряжение-деформация», аналогичные представленной на рис. 2.4. Диаграммы «напряжение-деформация» для отдельных материалов отличаются углом наклона начального участка кривой, положением излома кривой, длиной пологого участка кривой и удлинением при разрыве (этот параметр известен также как деформа­ция при разрыве), которое соответствует точке А’ на кривой. Наклон начального участка кривой представляет особый интерес как для прикладной науки, так и для материаловедения. Для большинства материалов начальный участок диаграммы «напряжение деформация» имеет линейный характер, поэтому связь между на­пряжением п деформацией описывается следующим выражением:

о — £е. (2.3)

где о — растягивающее напряжение; £ — техническая деформация при растяжении; Е— постоянная величина.

Указанное соотношение между параметрами должно сохраняться практически во всех случаях. Это соотношение является простым подтверждением закона упруго­сти Гука {Hooke’s Law for Springs), который определяет пропорциональность напря­жения и деформации. Усилие, приложенное к пружине, и возникающее в результате воздействия этого усилия удлинение прямо пропорциональны. Коэффициент про­порциональности называют константой пружины.

Пружину обычно используют в качестве модели для описания поведения мате­риала, подчиняющегося данному уравнению. Материалы, которые подчиняются за­кону Гука, называют линейно-упругими материалами. Реакция материала является линейной при увеличении усилия. При снятии нагрузки материал упруго восста­навливается до исходного состояния. Упругость означает, что при снятии нагрузки с материала образец приобретает первоначальную форму и размеры без потери ме­ханической энергии на теплоту. Коэффициент Е называют при испытаниях модулем упругости при растяжении или модулем Юнга материала. Так как техническая дс формация при растяжении является безразмерной величиной, модуль Юнга имеет размерность напряжения, а именно Па в Международной системе единиц и фунт на кв. дюйм в единицах британской системы мер Так как приведенное выше уравнение о — /Гг: описывает в первую очередь взаимосвязь между напряжением и деформаци­ей, а не между усилием и деформацией материала, модуль Юнга представляет собой параметр материала, характеризующий реакцию материала на приложенное усилие растяжения. При крутом наклоне кривой диаграммы «напряжение деформация* модуль Юнга имеет большую величину и более высокая растягивающая нагрузка должна быть приложена к образцу для получения какого-либо незначительного уд­линения материала. Материалы с высоким значением модуля Юнга называют «жест­кими* Материалы с низким значением модуля Юнга называют «эластичными*. В табл. 2.1 представлен краткий перечень хорошо известных материалов и приведе­ны значения их модулей Юнга.

Как показано на рис. 2.4. для большинства материалов существует напряжение, при котором на кривой диаграммы «напряжение-деформация» появляется «из­лом*, известное как предел текучести материала. Данный параметр играет важную роль в представлении о сопротивлении материала распространению трещины, а также является одним из параметров, необходимых для правильного проектирова-

ния клеевых соединений. Предел текучести при растяжении обозначают символом ст^[8], и этот параметр характеризует напряжение, при котором материал перестает подчиняться закону Гука. І Іосле достижения предела текучести материал становит­ся неупругим и в этом случае считают, что он пластически деформирован. Пласти­ческая деформация свидетельствует о том, что материал поглощает энергию. При проектировании некоторых конструкций с использованием клеевых соединений показатель предела текучести используют для оценки прочности клеевого слоя или субстрата. Этот критерий часто применяют при проектировании клееных конструк­ций, когда конструктор хочет, чтобы клеевое соединение сохраняло упругость при расчетных нагрузках.

Не для всех материалов диаграммы имеют пологий участок, показанный на рис. 2.4. Пологий участок на диаграмме свойственен материалам, которые образуют «шейку» или «уменьшение поперечного сечения» при растяжении образца. Необхо­димо отметить, что к области пологого участка кривой действительное напряжение в образце может уменьшаться. Б конечном счете, материал уже не может выдержи­вать напряжение и разрушается. Напряжение в этой точке называют разрушающим напряжением, а деформацию в этой точке — разрушающей деформацией или удли­нением при разрыве материала. Предельная прочность при растяжении материала может представлять собой разрушающее напряжение. Однако значение предельной прочности при растяжении материала может соответствовать моменту нагружения, когда материал начинает образовывать шейку. lice указанные свойства показывают потенциальные возможности использования материала, а также служат руковод­ством для специалиста, работающего в клеевой отрасли, и позволяют определить, какой тин клея может быть получен при использовании определенного материала.

Большинство материалов при воздействии растягивающего напряжения не толь­ко вытягиваются, но также их поперечное сечение становится тоньше с сохранени­ем первоначального объема. Параметр, который показывает насколько материал утончается при воздействии растягивающего напряжения, может быть представлен следующим выражением:

v*((r0-r)/rn)/e, (2.4)

где г — радиус цилиндрического образца для испытания на растяжение при опреде­ленном значении напряжения; ги радиус образца в исходном состоянии; с — от­носите.’! ьное удл инсн ие.

Параметр v представляет отношение поперечной деформации к относительному удлинению и называется коэффициентом І Іуассона. Этот параметр измеряют, когда материал находится в области упругих деформаций. Для изотропных материалов, то есть материалов, которые обладают одинаковыми свойствами во всех направле­ниях, Пуассон показал, что этот коэффициент должен быть равным 0,25. Действи­тельно, как показано в табл. 2.1, для многих материалов коэффициент Пуассона имеет значение, близкое к 0,25.

Изменение единичного объема АV материала при растяжении может быть опре­делено из уравнения

ДГ“ с(1 — 2v). (2.5)

Для большинства материалов не свойственно уменьшение объема при воздей­ствии растягивающего напряжения. В атом случае параметр v имеет максимальное значение, равное 0,5. Для материалов на основе каучуков значение коэффициента Пуассона достигает 0.5. Коэффициент Пуассона для стали равен 0.26.