Лако-красочные материалы — производство

Стандартный метод испытаний для оценки прочности клееных соединений при сдвиге описан и ASTM D1002. Данный метод испытаний является одним на наибо­лее простых и хорошо изученных методов испытания для оценки прочности клеевых соединений. Образец, который должен быть использован н соответствии с методом ASTM D1002, показан на рис. 3.4. Поверхность субстратов, подлежащих склеиванию, подвергают обработке в соответствии с рекомендованным методом подготовки по­верхности (см. гл. 7). Клей наносят на тот участок обратна, на котором должна быть нахлестка. Пастообразные клеи (описанные в гл. 8) обычно наносят на оба субстрата перед их соединением. Пленочные клеи (также описанные в гл. 8) наносят на поверх­ность только одного субстрата. Как правило, клей наносят только на участок нахлест­ки образца. Величина нахлестки составляет 12.7 мм (1/2 дюйма) и такой же является ширина клеевого шва Толщина нанесенного клея определяется предполагаемых!!! условиями использования клеевого сосдипгеиня. Клеевое соединение фиксируется различными способами. Фиксация может быть осуществлена таким простим спо­собом. как применение зажимов по краям зоны соединения, так и более сложными способами, например, с помощью вакуумного мешка, которые находят применение в авна-космичсской промышленности. Назначение фиксирующего устройства со­стоит в том, чтобы приложить давление к клеевому слою и удержать субст|>аты в первоначальном состоянии в процессе отверждения клея. Обратите внимание, что
в данном случае предполагают вытекание клея на зоны соединения с образованием «галтели» клея, распространяющейся за щн-дслм субстрата (рис. 3.4) Существуют некоторые варианты образца ;еая данного вида испытаний, в которых галтель пред­намеренно исключают из конструкции. для того, чтобы оценить эксплуатационные характерне! ики клеевого гоелннения при ее отсутствии. Адамс [41 показал, что гал­тель может оказывать существенное влияние на измеренные значения п|ючпости при сдвиге, полученные при испытании плхлссточного образца. Галтель условно увеличивает длину нахлестки и сводит к минимуму неоднородность свойств у края субстрата.

Клей отверждают или выдерживают до стадии затвердевания. После отвержде­ния клея одни из возможных методов испы тания заключается в закреплении образ­ца в разрывной испытательно!! машине и его нагружении до момента разрушения. Направление приложения нагрузки показано на рис. 3.4. Большинство стандартов на методы испытаний при сдвиге при использовании нахлесточных образцов рс гламентпруют размер субстрата, который должен быть закреплен в зажимах раз­рывной испытательной машины. Несомненно можно полагать, что изгиб образца (а следовательно, и реальное напряжение, приложенное к клеевому слою) зависит от расстояния точки приложения нагрузки до зоны нахлестки. Клеевое соедине­ние в виде нахлес точного образна перед началом испытания до разрушения может быть также помешено в неблагоприятные условия воздействия окружающей <|к-ды (например, выдержано при повышенной температуре, в растворителях и при повы­шенно!’! влажности). Образен, аналогичный приведенному на рис. 3.4, может быть использован также для определения усталостной прочности клеевых соединений. ІІ этом случае образец устанавливают в испытательную машину, обеспечивающую циклическое нагружение образца, и определяют количество циклов, необходимое для сто разрушения. Для большинства современных конструкционных клеев вы­сокочастотное циклическое* нагружение редко приводит к разрушению клееного соединения. Однако при низкочастотном циклическом нагружении (особенно по­сле воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды) часто можно на­блюдать усталостное разрушение сослп иен ни при более низких нагрузках, чем зна-

чення нагрузок. полученных п результате* расчета по зкспериментаныю измеренной на разрынной машине прочности при растяжении.

В зависимости от типа клея необходимо тщательно контролировать условия, в ко­торых клееное соединение зкенонирокалось перед определением П]Х>ЧНОСТИ. Осно­ванием для такого утверждения является то, что в результате такой экспозиции клей может подвергаться дальнейшему отверждению или отжигу. Такая предварительная выдержка может приводить к аномально высоким значениям прочности, что не со­ответствует фактически используемым условиям. Данное состояние материалов анализируется ниже в гл. 8, в которой рассматриваются вопросы химии клеев ком­натного отверждения.

При изготовлении нахлесточных образцов лля испытания на сдвиг может быть использован ряд способов, в том числе способ изготовления образца с одинарной нахлесткой («пальчиковый образец») и составного нахлесгочного образца. При ис­пользовании способа изготовления образца с одинарной нахлесткой клеевые соеди­нения изготавливают отдельно (рис. 3.4). После изготовления соединение можно испытывать обычным методом. Однако существуют некоторые возможные ошибки при использовании способа изготовления одинарного образца. Во-первых, необхо­димо обращать особое внимание на параллельное расположение субстратов в про­цессе отверждения, в противном случае при испытаниях может появиться допол­нительный крутящий момент, приложенный к клеевому соединению. Во-вторых, необходимо удостовериться в том, что «наплыв» не образуется па краях соедине­ния Клеевой «наплыв» уплотнит соединение, что не может не проявиться в про­цессе испытания. В-третьих, необходимо, чтобы сопрягаемые края субстратов пред­ставляли собой прямоугольник и не имели заусенцев. Заусенцы могут удерживать клей и нарушение прямоугольиости поверхностей в дальнейшем может усложнить существующее достаточно сложное напряженное состояние данного образца.

При использовании составного образца крупные части субстрата соединяются но одному краю. Обычно субстраты размерами 102 х 178 мм (4 х 7 дюйма) скле­иваются вдоль длинного края. После того как клей отвержден, крупногабаритное клеевое соединение может быть разрезано или распилено на более узкие полосы, в результате чего получают образцы, аналогичные показанным на рис. 3.1. Одним из преимуществ данного способа но сравнению со способом получения пальчиково­го образца является то. что в данном случае исключаются проблемы, связанные с появлением наплывов клея. Кроме того, существует также малая вероятность того, что субстраты могут сместиться относительно друг друїд. Однако остается все же опасность, что заусенцы и непрямоугольное п, края субстрата будут существовать вблизи клеевого соединения. Другим преимуществом способа составного образца для испытания при сдвиге является то, что значения прочности при сдвиге нахле­сточных образцов являются более воспроизводимыми, чем при использовании спо­соба изготовления пальчикового образца.

Метод испытания при сдвиге нахлесточных образцов, применяемый правильно в соответствии со стандартом ASTM /71002, может быть использован как обосно­ванный и простой метол для сравнения прочностных свойств клеев. Этот метод мо­жет быть также использован для качественного контроля при оценке постоянства прочности клеевого соединения. Однако существует ряд причин, когда этот образец

является абсолютно непригодным для испытаний. Основной причиной является то, что метод D1002 не позволяет правильно оценить прочность реального клеево­го соединения, использованного при проектировании конструкции. Значения длин нахлестки и площадей нахлестки в применяемых на практике клеевых соединениях имеют значительно большие величины, чем используемые и стандарте ASTM D1002. Еще один существенный недостаток заключается в том. что состояние сдвига в та­ком матом образце не является однородным |5|. Неоднородность напряженного со­стояния является основным фактором для многочисленных исследований и нред — ставляет оіі|м? делонное важное значение при разработке рецептур клеев (см. г. т. 8) На рис. 3.5. а показан образец для испытания при сдвиге в соответствии со стан­дартом D1002, к которому приложено растягивающее усилие. Линия, проходящая через образен, показывает направление действия приложенного усилия. Очевидно, что линия нагружения (пунктирная линия) не может проходить в одном направ­лении с субстратами. Г Корее, соединение должно вести себя как шарнир в области

F F

hit. 3. 5. n — схема, показывающая нахлесточный образец для испытания при сдвиге при

малых уровнях приложенного усилия F. Пунктирной линией показана линия уси­лия, которую пытается память приложенная нагрузка: h — схема, показывающая, что усилие в нахлесточном образце в процессе испытания на сдвиг стремится стать линейным по всему образцу. Образец тягается согласовать скот — положение с необходимостью сделать линию усилия линейной путем изгиба краев нахлестки образца

нахлестки. Центр нахлестки представляет собой точку, черев которую передается усилие нагружения, п он не перемещается и процессе испытания. Однако края в об­ласти нахлестки должны перемещаться, чтобы напряжение было более «линейным» (см. рис. 3.5, !>). Обратите внимание, что субстраты прогибаются у краев нахлестки. В случае субстратов, которые имеют такой вил прогиба, клеевой слой не может на­ходиться в состоянии чистого сдвига. Вернее, в клеевом слое появляется расслаи­вающее (нормальное) усилие у краев нахлестки Л’ (рис. 3.5,1>). Этот аффект можно продемонстрировать простым механическим экспериментом. Предстаньте себе два жестких шарнира, соединенных болтом Если сочлененные шарниры сильно потя­нуть за незакрепленные концы, края соединенных деталей прогибаются, чтобы на­грузка имела линейный характер.

Одновременное воздействие усилия сдвига и нормального нагружения клеево­го слоя формируют основу критического замечания, относящегося к нахлесточно- му образцу, используемому при испытании на сдвиг в соответствии со стандартом I) 1002. Это замечание, как показано выше, является нс совсем правильным, если нс принимать во внимание, что образец использован в качестве основного элемента при проекти|мшанни клеевых соединений Напряженное состояние в таком обр;із — це может давать полезную информацию, так как клеевой слой в образце находится одновременно в условиях воздействия усилий сдвига и расслаивания. Действи­тельно, можно видеть, что клеевые слои, которые не имеют удовлетворительной стойкости к воздействию расслаивающего усилия, не обеспечивают высоких значе­нні! прочности при сдвиге нахлесточных образцов, испытанных в соответствии со стандартом D1002. Несмотря на указанное напряженное состояние клеевою слоя в данном образце, испытания клеевого соединения нахлесточных образцов применя­ют для оценки практически любого клея. Благодаря своей простоте такой образец, по-видимому, будет п|юлолжать широко использоваться в дальнейших исследова­ниях.