CC BY
3
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, msa-omd@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
УДК 620.179.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-595-599
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ
ПОДЪЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.Г. Леушев
В статье дано описание работы установки, созданной для получения зависимости адгезионной прочности пары полимер-сталь от температуры в интервале от -60 до +60 °С. Установлено, что в границах данного температурного интервала процесс разрушения описывается формулой Журкова. Следовательно, на основании кинетической теории прочности в данном интервале температур возможен прогноз долговечности адгезионных соединений полимерных покрытий к внутренним поверхностям гидроцилиндров подъёмных сооружений, восстановленных с помощью эпоксидной композиции.
Ключевые слова: адгезионная прочность, температура, долговечность, полимерное покрытие, формула Журкова, гидроцилиндр, подъёмное сооружение.
В результате широкого применения подъёмных сооружений (ПС), оснащённых гидроприводом, остро стоит вопрос о разработке технологии их ремонта. Наиболее сложно эта проблема решается для силовых гидроцилиндров. Особенность их конструкции заключается в большой длине при сравнительно небольших диаметрах. Упростить технологию восстановления гидроцилиндров, повысить износостойкость уплотнений, а, следовательно, и надёжность в целом, можно путём применения полимерных покрытий на внутренних поверхностях гидроцилиндров.
В этой связи можно выделить целый комплекс положительных свойств полимерных покрытий:
- низкий коэффициент трения;
- незначительный износ;
- высокая химическая стойкость;
- технологичность изготовления.
Композиции на основе эпоксидно-диановых смол содержат в своем составе отвердители, пластификаторы, растворители и другие компоненты. Они обладают достаточной жидкотекучестью, необходимой для заполнения свободного объёма, дают незначительную усадку при отвердевании. Полимерные покрытия, полученные на их основе, маслостойкие и хорошо поддаются механической обработке.
При всех вышеперечисленных плюсах полимерных покрытий необходимо провести темпера-турно-прочностной анализ адгезии полимера к стали и на основе полученных данных определить возможен или нет прогноз долговечности таких соединений.
В данной статье процесс разрушения адгезионнных соединений полимер-сталь в широком интервале температур рассматривается на основании кинетической теории прочности. Она опирается на термофлуктуационный подход к процессу разрушения твёрдых тел. Время ожидания разрыва (долговечность) - важнейшая кинетическая характеристика разрушения [1]. Выяснилось, что это время при заданной нагрузке резко снижается при росте температуры.
Температура тела является мерой интенсивности теплового движения атомов и в процессе разрушения играет важную роль. Тепловое поведение атомов в твёрдом теле не исчерпывается средними небольшими колебаниями. В силу хаотичности теплового движения и связи атомов друг с другом время от времени отдельные атомы приобретают резко повышенные значения энергии (в десятки раз выше средних). Эти события называют флуктуациями энергии. С увеличением температуры частота флуктуации резко возрастает. Анализ экспериментальных данных показал, что важным фактором разрушения является динамическая гетерогенность: неравномерность, неоднородность распределения энергии тепловых колебаний по объёму твёрдого тела.
Роль внешней нагрузки при разрушении важна, но она только напрягает межатомные связи, уменьшая энергию их разрыва. А далее напряжённые связи «ждут» прихода разрывных флуктуаций. Отсюда и появляется понятие «долговечность» твёрдого тела - время ожидания достаточного количества последовательных флуктуаций для разрыва достаточного числа межатомных связей и тем самым - разрыва всего тела, т.е. его разрушения.
Флуктуации могут разрывать связи и в ненагруженном теле, но такие разрывы быстро восстанавливаются. В нагруженном же теле восстановление разорванных связей (рекомбинация) резко затрудняется и идёт накопление разорванных связей во времени. Внешняя нагрузка играет роль своеобразного «вентиля», облегчающего флуктуационный разрыв связей и затрудняющего их рекомбинацию. Необходимо ещё раз отметить, что сам разрыв связей производит не внешняя сила, а порождённые тепловыми колебаниями флуктуации энергии.
Прослеживается очень важный этап разрушения - переход от одиночных разрывов связей к возникновению зародышевых разрывов сплошности - мельчайших трещин (с размерами в десятки - сотни размеров атомов). Далее выясняются закономерности укрупнения зародышевых трещин, которые могут идти путём как индивидуального роста трещин, так и их слияния. В процессе укрупнения трещин формируются магистральные трещины, прорастание которых через сечения образцов и приводит к разрушению. На всех этапах разрушения твёрдых тел выявляется единый атомно-молекулярный механизм -флуктуационный разрыв напряжённых связей.
Какой же механизм разрушения при низких температурах? Казалось бы, что тепловые колебания с понижением температуры должны ослабнуть вплоть до полного затухания. Тогда должны исчезнуть флуктуации энергии тепловых колебаний, соответственно, не будет работать и термофлуктуацион-ный механизм разрыва связей. Однако фундаментальные квантовые законы физики утверждают, что в твёрдых телах колебания атомов не прекращаются и при абсолютном нуле температуры. Поскольку твёрдое тело «не замерзает» и при самых низких температурах, то и здесь возможны флуктуационные эффекты (так называемые туннельные переходы), а, следовательно, и кинетика разрушения при самых низких температурах сохраняется.
В результате систематических исследований разрушения материалов, которые были начаты в 50-х годах ХХ века в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе под руководством Журкова С.Н., была установлена эмпирическая формула [2], связывающая величину разрушающего напряжения а с температурой Т и временем до разрушения т:
Т = Т°еХР /сГ ' ^
где т0 « (10~12 10_14)с - значение, близкое к периоду межатомных колебаний, и0 - энергия активации процесса разрушения, -кДж; у - активационный объём, нм3; к - посто-
моль
янная Больцмана.
Это уравнение Журкова оказалось справедливым для металлов, сплавов, кристаллов, полимеров, композитов и т.д. Оно выполняется в широком диапазоне температур и времен нагружения в вакууме, воздухе, инертной и коррозионной средах [3].
Температурный отрезок от -60 до +60°С попадает в рабочий интервал температур силовых гидроцилиндров ПС. Необходимо выяснить справедлива ли формула Журкова для адгезионных соединений пары полимер-металл в данном температурном интервале. Если да, то на её основе будет возможен прогноз долговечности адгезионной прочности полимерного покрытия к внутренней стальной поверхности гидроцилиндра после ремонта.
Для этих исследований была спроектирована и выполнена экспериментальная установка. Она представляла собой рычажную систему с соотношением плеч 1:16, на которой осуществлялось одноосное растяжение образцов. Образец - два стальных цилиндра диаметром 10 мм и длинной 25 мм каждый, склеенные между собой эпоксидной композицией на основе эпоксидно-диановой смолы ЭД-20. Для проведения эксперимента были изготовлены две термокамеры (низко - и высокотемпературная), внутри которых помещались образцы.
С помощью автотрансформатора изменялся температурный режим в камерах. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Контроль температуры внутри камер осуществлялся при помощи милливольтметра через термопару хромель-алюмель.
Эксперимент начинался после того, как образец двадцать минут находился при заданной температуре в термокамере. Вода подавалась с постоянной скоростью истечения в резервуар, подвешенный на рычаг. До начала эксперимента рычажная система с резервуаром находилась в уравновешенном (горизонтальном) положении. После разрушения образца резервуар с водой взвешивался и находился непосредственно вес воды:
РВ=Р2-РЙ ' (2)
где Рв - вес воды, Н; Р^ - суммарный вес воды и резервуара, Н; Рй - вес резервуара, Н.
Разрушающее напряжение определялось следующим образом:
Рва
* = "Ъ (3)
где и - разрушающее напряжение, МПа; Рв - вес воды, Н; а - передаточное отношение рычажной системы; F - площадь поверхности контакта металл-полимер, м2.
Результат проведённых экспериментов и вычислений по формулам 2 и 3 на рис. 2 представлен зависимостью адгезионной прочности полимерного покрытия к стали от температуры в интервале от -60 до +60°С.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
Рис. 2. Зависимость адгезионной прочности от температуры в интервале от -60 до +60°С
Из графика на рис. 2 видно, что данные достаточно хорошо укладываются на прямую линию:
а = а0-рТ, (4)
где а - разрушающее напряжение, МПа; а0 - разрушающее напряжение при 7=0 °С, МПа; Р - тангенс угла наклона прямой; 7 - температура, °С.
Представим уравнение (1) в следующем виде [3]:
а = ио_^Г1п1_ (5)
У У
где Ыа - число Авогадро; т - эффективное время до разрушения, с. При а = 0 из уравнения (5) выражаем и0:
и0=ИакТ* 1п — , (6)
где Т* - абсолютная температура при а = 0 (рис. 2), К.
При динамических испытаниях с фиксированной скоростью нагружения эффективное время до разрушения т связано с длительностью нагружения до разрушения образца / уравнением:
597
(7)
где аа - значение в интервале от10-100 [2].
Из уравнения (6) находим значение энергии активации разрушения и0 = 122 кДж/моль. Сравнивая уравнения (4) и (5), можно записать следующую зависимость:
т
в= — 1п— '
У т0
где р - тангенс угла наклона прямой (рис.2).
Выразим из уравнения (8) активационный объём у:
Из уравнения (9) находим значение активационного объёма у=9,2нм3.
Таким образом определено, что в диапазоне температур от -60 до +60°С при постоянной скоро-
сти нагружения зависимость адгезионной прочности от температуры может быть описана формулой Журкова. Были получены значения энергии активации разрушения и0 и активационного объёма у. Используя эти данные в уравнении Журкова, можно прогнозировать долговечность адгезионных соединений полимерных покрытий к внутренним поверхностям гидроцилиндров подъёмных сооружений, восстановленных с помощью эпоксидной композиции в данном температурном интервале.
1. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
2. Веттегрень В.И., Лазарев С.О., Петров В.А. Физические основы кинетики разрушения материалов. Л.: Академия наук СССР Ленинградский ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 1989. 247 с.
3. Башкарёв А.Я, Веттегрень В.И., Суслов М.А. Долговечность полимерных композитов. СПб.: Изд-во СПбПУ им. Петра Великого, 2016. 147 с.
Леушев Вячеслав Гениевич, младший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
STUDY OF THE DEPENDENCE OF ADHESION STRENGTH ON TEMPERATURE FOR THE USE OF POLYMERS IN THE RESTORATION OF HYDROCYLINDERS OF LIFTING STRUCTURES
The article describes the operation of an installation designed to obtain the dependence of the adhe-
sive strength of a polymer-steel pair on temperature in the range from -60 to +60 °C. It has been established that within the boundaries of this temperature range, the destruction process is described by the Zhurkov formula. Therefore, based on the kinetic theory of strength in this temperature range, it is possible to predict the durability of adhesive joints of polymer coatings to the inner surfaces of hydraulic cylinders of lifting structures restored using an epoxy composition.
Key words: adhesion strength, temperature, durability, polymer coating, Zhurkov's formula, hydraulic cylinder, lifting structure.
Leushev Viacheslav Genievich, junior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy
(9)
Список литературы
V.G. Leushev
