Лако-красочные материалы — производство

В процессе эксплуатации клеевые соединения подвергаются длительному действию различных статических и динамических нагрузок и внутренних напряжений. При этом в силу кинетиче­ской природы прочности [26, 27] несущая способность клеевых соединений неизбежно будет меньше кратковременной прочно­сти, причем степень этого уменьшения тем больше, чем дли­тельнее действует нагрузка. Прочность — это первое предель­ное состояние, по которому должна рассчитываться конструк­ция. Вторым предельным состоянием, которое учитывается при расчете, является деформативность. Под действием постоян­ной нагрузки деформативность клеевого соединения возрастает и может достигнуть величины, не допускаемой по соображениям безопасной работы конструкции.

При определении длительной статической прочности соеди­нений на клеях, находящихся в стеклообразном состоянии, можно пользоваться экспоненциальной зависимостью [26] проч­ности от времени действия нагрузки

Г = АГао (II. 1)

Где т — долговечность; Л, а — константы; о — напряжение.

Соединения на клеях, находящихся в высокоэластическом состоянии, в большей мере подчиняются степенной зависимости [27, 28]:

Т = Ba~b (II. 2)

Где В, Ь — константы.

Поскольку при эксплуатации большинства клеевых соедине­ний в них возникает концентрация напряжений, то при исполь­зовании зависимости (II. 1) следует учитывать коэффициент концентрации напряжений п:

Т = Ае~апа (II. 3)

Роль релаксационных процессов в клеевых соединениях осо­бенно возрастает при длительном действии нагрузки. Перерас­пределение напряжений в результате релаксации может приво­дить к появлению изломов на кривой зависимости в координатах lgT — а. Отклонение этой зависимости от линейной в области малых значений т тем меньше, чем более эластичен клей [9]. Изломы на рассматриваемой зависимости наблюдаются также при повышении температуры, что подтверждает их единый ме­ханизм. Если под нагрузкой испытываются соединения без кон­центрации напряжений (сдвиг при кручении), то излома на графике зависимости Igx — а не наблюдается [29].

Долговечность соединений часто определяется не природой клея или адгезией, а склеиваемыми материалами, поскольку при действии постоянной нагрузки разрушение происходит по этим материалам. Это характерно для клеевых соединений асбесто­цемента на эпоксидных клеях, древесины на фенольных и ре­зорциновых клеях, металлов с большинством пенопластов: В то же время по мере увеличения продолжительности действия по­стоянной нагрузки вероятность разрушения по границе раздела клей — склеиваемый материал возрастает. По-видимому, это объясняется тем, что при действии Нагрузки напряжения концен — трируются в зоне действия адгезионных связей на границе раздела материалов, различающихся модулями упругости, ко­эффициентами линейного расширения и другими характеристи­ками.

Длительную прочность удобно выражать в виде коэффици­ента длительной прочности Кдл, представляющего собой отно­шение длительной прочности а к кратковременной о0

/<дл = o/Oj (II. 4)

Так, при действии нагрузки в течение 107—108 с коэффициент КДл для соединений металлов на эпоксидных клеях при разных видах сдвига составляет 0,4—0,55, [9,29—31]. Приблизительно такое же значение имеет длительная когезионная прочность эпоксидов. Вообще следует отметить, что при одинаковом напря­женном состоянии и соблюдении технологии изготовления кле­евых соединений Кдл клея должен примерно соответствовать Кдл Клеевых соединений. Однако поскольку в клеевых соединениях, работающих под нагрузкой, могут возникать остаточные, терми­ческие и другие напряжения, то в большинстве случаев Кдл кле­евых соединений ниже, чем Кдл клея или склеиваемых материа­лов.

В табл. II. 11—II. 14 приведены данные о~влиянии длитель­ной статической и динамической нагрузки на соединения алю­миниевого сплава и стали на различных клеях.

Таблица II. 11

Влияние длительного действия нагрузки на прочность при сдвиге клеевых соединений алюминиевого сплава Д-16 на клеях с температурой эксплуатации до 80 °С

Таблица II. 13

Влияние длительного действия нагрузки на прочность при сдвиге клеевых соединений на клеях с температурой эксплуатации 200—350 °С

Коэффициент /Сдл при сдвиге для соединений стеклопластика на полиэфирном клее и древесины и стеклопластика на феноль — ном составляет 0,6. Для соединений асбестоцемента на эпок­сидных клеях Кдл = 0,4 при отрыве и 0,6 при сдвиге, причем разрушается склеиваемый материал.

Приведенные данные относятся к клеям, находящимся в стеклообразном состоянии. Для соединений на клеях в высоко­эластическом состоянии КДл обычно меньше и составляет при сдвиге 0,17—0,3 [9,29].

Совместное действие постоянной нагрузки и температуры не является аддитивным. Строго говоря, нельзя коэффициент дли­тельной прочности при 20 °С и коэффициент снижения кратковременной прочности при заданной температуре перемно­жить для того, чтобы учесть одновременное действие нагрузки и температуры. В табл. II. 15 сопоставлены данные, полученные при непосредственном определении длительной прочности при различных температурах (о<), и данные, полученные путем пере­множения коэффициентов снижения кратковременной прочности при данной температуре (mt) и длительной прочности при 20 °С (а) [32]. В зависимости от напряженного состояния и темпера­туры разница в значении длительной прочности неодинакова не только по величине, но и по знаку, что объясняется различным соотношением процессов разрушения и релаксации напряжений. Температурная зависимость длительной прочности полимеров описывается уравнением [26]:

» о-УО

T = (И-5) где То — постоянная; U0 — энергия активации элементарного акта разрушения в отсутствие напряжения; — коэффициент, зависящий от природы и струк­туры материалов; о — напряжение; K — постоянная Больцмана; Т — абсолют­ная температура.

В зависимости от напряженного состояния клеевых соедине­ний меняется угол наклона температурных кривых долговечно­сти. На кривых долговечности могут иметься участки, не подчи­няющиеся уравнению (II. 5). Первый участок соответствует области невысоких температур и больших напряжений; вто­рой — области повышенных температур и малых напряжений

[9].

Температура, при которой соединение может длительно со­противляться нагрузкам, значительно ниже, чем предельная температура при кратковременном нагружении. Так, полиимид — ные клеи длительно выдерживают нагрузку при 260 °С и кратковременно при 500 °С [2, 9].

При совместном действии длительной нагрузки и жидких сред длительная прочность снижается. Если среда обладает поверхностно-активными свойствами, то снижается энергия ак­тивации разрушения связей в вершине растущей трещины и облегчается ее, разрастание.

Данные о прочности клеевых соединений алюминия на эпок­сидном клее ЭПЦ-1 при выдержке их в воде под постоянной нагрузкой приведены в табл. II. 16. При нагрузке, составляющей 30% от кратковременного разрушающего напряжения, снижение прочности за 1,5 года не превышает снижения прочности образ­цов, выдержанных в воде в течение того же времени без на­грузки. Однако характер разрушения под нагрузкой меняется от когезионного к адгезионному [9, 29]. В электролитах длитель­ная прочность зависит от рН среды и природы аниона кислоты [34]. При рН менее 4 все соединения на эпоксидных клеях быстро разрушаются, а в щелочных средах долговечность со­единения определяется составом клея и природой металла.

На практике очень важно оценить длительную прочность соединений в атмосферных условиях. Высокую атмосферостой­кость (25 лет и более) имеют клееные деревянные конструкции на фенольных и особенно резорциновых клеях после обработки их маслянистыми антисептиками и др. Если на клеевые соеди­нения металлов на эпоксидных клеях действует постоянная на­грузка (до 30% от кратковременной разрушающей), то, по крайней мере, в течение нескольких лет разрушения не происхо­дит в различных климатических районах [9, 29, 35]. Длительная прочность на воздухе ниже, чем в помещении,- видимо, вслед­ствие действия влаги. По некоторым данным, длительная проч­ность на воздухе составляет 13—20% от длительной прочности в помещении. Попеременное увлажнение и высушивание кле­евых соединений древесины, находящихся под постоянной на­грузкой, составляющей около 10% от кратковременной прочно­сти, приводит к снижению прочности [38]. . Снижение кратковременной прочности после выдержки коррелирует с влажностью воздуха в период, предшествующий удалению об­разцов со стенда [9, 29].

Совместная работа клеевого шва и заклепки в клеезакле — почных соединениях под постоянной нагрузкой повышает их ат­мосферостойкость [41].

Большую роль в достижении высокой длительной прочности играет правильная подготовка поверхности под склеивание. Осо­бенно это относится к металлам. В зависимости от способа под­готовки алюминия и титана долговечность меняется в пределах двух порядков [36, 37]. Повышенной долговечностью отличают­ся соединения алюминия, подвергнутые хромовокислому трав­лению или анодированию, и соединения титана с анатазной формой окиси поверхности металла. Стабилизация анатазной формы обеспечивается при обработке титана кислыми раствора­ми с добавкой сульфата натрия [17].

.УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ч

Одним из критериев усталостной прочности является коэффици­ент усталости, представляющий собой отношение прочности при заданном времени динамических испытаний к кратковременной статической прочности:

Куст == туст/т~кр

Существует условный предел усталости, т. е. напряжение, при котором соединения не разрушаются в течение достаточно длительного-времени. Реальные клееные конструкции практиче­ски не выдерживают более 106 —108 циклов нагружения. По разным данным [9, 29—31], независимо от вида клея коэффи­циент усталости клеевых соединений металлов составляет 0,15— 0,20. Расчетные значения прочности соединений стали на эпок­сидных клеях (сдвиг при кручении) на базе 107 циклов, составляет 8—10 МПа, причем действие воды снижает это значение примерно на 25% [9, 29, 40]. Данные по усталостной прочности соединений алюминиевого сплава и стали на различ­ных клеях, различающихся теплостойкостью, были приведены в табл. II. 11—II. 14.

Для клеевых соединений древесины /Сует на базе 2-106 циклов составляет около 0,5, что соответствует длительной статической прочности, причем разрушение практически происходит по дре­весине [43, 44].

При циклических испытаниях клеевых соединений в них так­же протекают релаксационные процессы. При повышении тем­пературы или при пластификации клея скорость релаксации увеличивается, в результате чего более медленно снижается прочность, однако одновременно снижается и предел усталости [9, 29, 45]. Другими словами, в соединениях на клеях с повы­шенной релаксационной способностью процесс накопления по­вреждений, связанный с прорастанием трещин, замедлен.

По мере утомления характер разрушения становится адгези­онным. Так же как и при действии статических нагрузок, эуо объясняется преимущественным характером развития усталости в контактной зоне, где’ концентрируются остаточные напряже­ния.

Выше указывалось, что чрезмерная деформативность может препятствовать применению клеевых конструкций. Под постоян­ной нагрузкой материалы деформируются необратимо, однако скорость ползучести при определенных нагрузках может быть весьма невелика. Для соединений на полихлорпреновом клее 88Н абсолютная деформация при т=0,ЗтКр составляет 0,67 мм, причем включение в рецептуру хлорнайрита (клей КС-1) сни­жает деформацию до 0,41 мм. Вулканизующиеся клеи, например содержащие изоцианаты, имеют меньшую ползучесть. Следует стремиться применять клеи, ползучесть которых слабо зависит от температуры. Резко повышаются деформации при переходе полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое, в связи с чем температура эксплуатации соединений на клеях в застеклованном состоянии должна быть ниже температуры стеклования. В этом случае ползучесть весьма невелика. Так, для эпоксидных клеев при нагрузке 11,7 МПа (т = 0,4ткр) ско­рость деформации 0,92-10~7 мм/ч, а при 8,8 МПа (т = 0,5тКр). скорость деформации практически равна нулю [9,29].