CC BY
61
УДК 674.8:691.1
Материаловедение
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛЗУЧЕСТИ В ЦЕЛЯХ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Т. Н. Стородубцева, В. И. Харчевников
Предложен новый метод прогнозирования долговечности конструкционных композиционных материалов, которые используются на промышленных и транспортных объектах, подвергающихся агрессивным воздействиям различных сред. Метод основан на экспериментальных исследованиях процессов ползучести этих материалов
Ключевые слова: композиционные материалы, транспортное строительство, древесина, ползучесть, Воронежская государственная лесотехническая академия
На основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований созданы новые эффективные древесноволокнистые композиционные материалы (ДСВКМ) на смоле ФАМ на основе целлюлозосодержащих продуктов глубокой переработки древесины, сельского хозяйства, техногенных отходов, а также местного сырья, и предназначенный для изделий специального назначения промышленного и транспортного строительства, подвергающихся действию агрессивных сред и знакопеременных температур.
Он предназначен для изделий и элементов конструкций специального назначения, рекомендованных к применению на объектах промышленного и транспортного строительства, находящихся в особых условиях эксплуатации. Их техническая, социальная и экономическая эффективность определяется использованием в качестве компонентов продуктов глубокой переработки древесины, сельского хозяйства, промышленности и местного сырья, подвержена эксплуатационными испытаниями [1, 2].
Длительную прочность и жесткость ДСВКМ приведенного состава (таблица) изучали на образцах - балках, подвергавшихся изгибающему действию двух сосредоточенных сил, симметрично приложенных в средней трети пролета.
Конечной целью опытов было: определение времени от момента загружения образца до его разрушения или до полного прекращения ползучести; построение кривых зависимости прочности и упругости ДСВКМ от времени с фиксированием на них появления точек пере-
Стородубцева Тамара Никаноровна - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, e-mail: (tamara-tns@yandex.ru), тел. (473) 235-76-45
Харчевников Виталий Иванович - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, тел. (473) 267-15-30
гиба; получение величины предела длительноГО сопротивления ст™с и величины длительного
модуля упругости Е™шЬ , являющихся минимальными значениями г,'"' и г,|П на конец за-
^дп ^дп ^
данного срока эксплуатации; получение соответствующих коэффициентов длительности -К™=ст™с/с™ и длительного деформационного коэффициента п411 = ечп /ечп •
1 1 —дл дл.мин/ мгн
Уровни постоянных напряжений были таковы:
ст0з = 6 МПа, ст04= 8 МПа, ст05 =10 МПа, ст06 = = 12 МПа, ст07 =14 МПа, ст08= 16 МПа, ст09 = = 18 МПа, стМо = 20 МПа, ст0п = 21,5 МПа, ст012 = = 17 МПа, ст, = 17.3 МПа (предел упругости).
Полученные экспериментальные данные позволили сделать следующие выводы:
Точки перегибов на кривых ползучести при постоянных напряжениях при и ниже предела упругости соответствуют величине полного упругого прогиба f “, т. е. суммарного прогиба, состоящего из чисто упругих, т.е. подсчитываемых с использованием начального мгновенного модуля упругости, и упругих, соответствующих взаимосвязанным вязким и высокоэластическим деформациям. Это подтверждается тем, что при разгрузке образца при прогибах ниже полного упругого происходит его практически мгновенная редеформация.
При напряжениях от а|19 =18 МПа до
с011=21,5 МПа больших, чем предел упругости, на кривых ползучести точки перегиба вообще отсутствуют. Т.е., как и предполагалось выше, эти кривые не могут участвовать при фиксировании полного упругого прогиба так же, как и предел прочности материала не может быть использован при подсчете его величины, что утверждалось ранее некоторыми авторами.
Из графиков рис. 1, на котором показаны зависимости изменения деформаций (прогибов)
образцов из ДСВКМ при чистом изгибе под действием фиксированных постоянных нагрузок (напряжений) от времени, видно, что только пять из двенадцати кривых ползучести имеют точки перегиба на их пересечении с прямой, параллельной оси абсцисс, и координатой, равной f" , при значениях постоянных
напряжений от =12до а01, = а =17,3 (МПа).
Рис. 1. Кривые ползучести при чистом изгибе ДСВКМ и при постоянных температуре и влажности окружающей среды
Установлена зависимость величин постоянных напряжений от времени появления точек перегиба на кривых ползучести образцов из ДСВКМ, а именно видно, что с уменьшением величины постоянного напряжения время достижения изгибаемым образцом величины полного упругого прогиба f" =0,0058 см увеличивается, причем эта зависимость явно криволинейная (рис. 2).
Аппроксимация полученных экспериментальных данных с помощью различных функций преследовала цель - подтвердить гипотезу о том, что предел длительного сопротивления -это минимальное значение постоянного напряжения в композиционном материале, которое в конце заданного срока эксплуатации изделий транспортного строительства равно условному пределу пропорциональности при деформации, равной полному упругому прогибу, и на ее основе разработать методы прогнозирования длительной прочности и оценить сохранение его эксплуатационных характеристик во времени, т.е. долговечность [1].
В качестве метода аппроксимации использовали метод наименьших квадратов, причем было установлено, что наименьшая погрешность имеет место при нелинейной аппроксимации экспериментальных данных, требующей решения системы трансцендентных уравнений, что было выполнено методом Ньютона с
Теоретические зависимости: ср1И(1)=10,201+1,331 ехр(-6,879-1(П) ср2И=17,408-6,3721апИ(6,205-10'31)
0 10 20 30 40 50 90 100 110 120 180 190 200 210 220 230 5,510° 10-10° 15-
Рис. 2. График зависимости постоянных напряжений при испытаниях на ползучесть при чистом изгибе
использованием прикладных математических программ для ЭВМ.
Наиболее приемлемыми из рассмотренных аппроксимирующих функций оказались экспоненциальные зависимости вида:
-Цехр^-с^ (1)
^ (2) где ат С - а',, - величина постоянного напряжения, при котором через время t величина прогиба в центре зоны чистого изгиба образца достигнет величины полного упругого прогиба - f“ =0,0067 см; аъ bi, Ci - коэффициенты, получаемые при решении уравнений с применением ЭВМ; tanh(x)=(ex-e"x)/(ex+e"x) - гиперболический тангенс. Например, анализ аппроксимирующей зависимости (1) с использованием вычисленных коэффициентов а1 = 10,0201, Ь = 7,331 и С = =6,879-10-3 показывает следующее: при Ит^оо™<'=а, +Ь] =10,201+7,331=17,542 МПа, т.е. эта сумма равна уточненному теоретическому значению условного предела упругости
При Ити >„ а.'"1 < = а! = 10,201 МПа = = = а™=11 МПа, т.е. по численному значе-
нию а1 - это величина предела длительного сопротивления ДСВКМ принятого состава на конец заданного срока эксплуатации - примерно 40 лет, т.к. при t=15•103сут при подсчете его по уравнению (1).
с™=10,211 МПа = 10,2 МПа = а™*1 >. Учитывая, что численно Ь1 = а'!"-а|||_'|1^1 = =17,542 -10,201=7,331 МПа, а сх - это реологический параметр, отражающий свойства пол-
411
У
зучести ДСВКМ, уравнение (1) может быть переписано в виде:
ст™ <>10,211+7,331-ехр-(-6,879- Ю'Ч), или с учетом физического смысла
<С О С+( ОуИ - °пц )-ехр-(- Сі -1). (3)
Таким образом, коэффициент длительности при применении аппроксимирующих уравнений (1) или (3) равен
Кчи=стчи /стчи=Ю,211/21,7=0,47-0,50. (4)
ДЛ ПДС ' ^ПЧ ’ ’ ’ ’ 4 '
В заключение отметим, что сумма квадратов отклонений между экспериментальными и теоретическими значениями постоянных напряжений при использовании уравнения (1) равна 0,059, а при использовании уравнения (2) равна 0,096, что говорит о приемлемости предложенных функций, хотя по данному фактору уравнение (1) предпочтительнее.
Модифицированный состав древесностекловолокнистого композиционного материала
1 3*)
со щепой на одно изделие и 1 м
№ п/п Компоненты ДСВКМ Состав ДСВКМ Содержание компонентов
Количество компонентов, м.ч. % по массе в одном изделии 1 3 в 1 м
1 ФАМ 5,58 18,6 33,6 280
2 БСК 1,38 4,6 8,4 70
3 П (мк=1,2) 16,35 54,5 98,0 817
5 Гр 1,17 3,9 7,0 58,0
6 ПО 1,17 3,9 7,0 58,0
7 СС 0,84 2,8 5,0 42,0
8 Щ+ОММ 3,51 11,7 21,0 175
Итого: 30,0 м.ч. 100 % Ри=180 кг 1500 кг
*)Фурфуролацетоновая смола (ФАМ) - вяжущее, бензолсульфокислота (БСК) - катализатор ее отверждения, песок (П), наполнители в виде графитовой и пиритовой муки (Гр), стеклосетка (СС) и кусковые отходы переработки древесины (Щ) - армирующие заполнители, отработанное машинное масло (ОММ) - гидрофобизирующий компонент, ПО - мука из пиритовых огарков
Воронежская государственная лесотехническая академия
RESEARCH OF THE CREEP PROCESS TO ESTIMATE THE LIFETIME OF COMPOSITE STRUCTURE MATERIALS T. N. Storodubtseva, V.I. Harchevnikov
A new method of longevity forecasting of structure composite materials used at industrial and transport objects, subjected to aggressive influence of various surroundings has been proposed. The method is based on experimental research processes of these materials spread
Key words: composite materials, road building, timber, spread, Voronezh state forestry academy
Равенство <7ПЦ и апдс открывает возможность отказаться от испытаний композиционных материалов на ползучесть, определяя стпц
разработанным в ВГЛТА релаксационным методом [2].
Литература
1. Горбунов, Г. И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства строительных материалов): Учеб. издание [Текст] / Г.И. Горбунов. - М.: Издательство АСВ, 2002. - 168 с.
2. Стородубцева, Т. Н. Композиционный материал на основе древесины для железнодорожных шпал: Тре-щиностойкость под действием физических факторов [Текст]: моногр.- Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. - 216 с.
