CC BY
79
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 662.99
ОПТИМИЗАЦИЯ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИИ МЕТАЛЛ - ПОЛИМЕР
Е.П. Липовская , С.И. Пелевин
Балтийский Федеральный университет (БФУ) имени Иммануила Канта,
236041, г. Калининград, ул. А. Невского 14
Аннотация - В статье приводится исследование оптимизации адгезионной прочности композиции металл-полимер. Указываются причины разрушения данной композиции с учетом адгезионной и когезионной равнопрочности. Получена зависимость для определения минимально допустимой прочности сцепления для случая статического растяжения композиции металл-полимер.
Ключевые слова: прочность, клеевая композиция, напряжение, металл, полимер, деформация, расчетная схема, модуль упругости, прогиб образца.
ADHESIVE DURABILITY OPTIMIZATION OF THE COMPOSITION METAL
- POLYMER
E.P.Lipovskaja, S.I.Pelevin
The Baltic Federal university (BFU) of Immanuil Kant, 236041, Kaliningrad, A.Nevsky's street 14
The summary - In article research of optimization for adhesive durability of a composition metal-polymer is resulted. Rupture sources of the given composition taking into account adhesive and cohesive equal durability are specified. Dependence for definition the minimum admissible durability for a case of a static stretching of a composition metal-polymer is received.
Keywords: durability, a glutinous composition, pressure, metal, polymer, deformation, the settlement scheme, the elasticity module, a deflection of the sample.
Прогресс во многих областях техники непрерывно связан с проблемами создания и внедрения эффективных защитных полимерных покрытий, способных работать под нагрузкой и в различных условиях эксплуатации.
Для защиты металлических элементов автомобильного транспорта при длительной эксплуатации успешно применяют полимерные покрытия, которые являются универсальным видом защитным металла от коррозии.
Основным условием работоспособности композиции металл - полимер является сохранение сплошности покры-элемента, температура, физикохимическое воздействие внешней среды,
тия, так как образование любого сквозного дефекта в полимерном покрытии приводит к нарушению адгезионной связи и появлению коррозии металла.
При изучении прочности полимерных покрытий обычно рассматривают два основных вида разрушения - адгезионное и когезионное [1]. Тот или иной вид разрушения, а также смешанное адгезионно - когезионное разрушение обусловлено рядом внутренних и внешних фактов, таких как прочность, химический состав и структура полимерного покрытия и металла, вид напряженного состояния, геометрическая форма
физико-химическое взаимодействие в контактной зоне при формировании и эксплуатации покрытия и др.
Одним из главных условий работоспособности полимерного покрытия является достаточная прочность сцепления его с металлом. В зависимости от соединения фаз и условий формирования композиции природа связи между полимерным покрытием и поверхностью металла может быть различной [2].
В связи с этим представляем интерес исследование оптимизации адгезионной прочности композиции металл-полимер.
Рассмотрим одноосное растяжение металлической пластины, на боковых поверхностях которой нанесено полимерное покрытие толщиной h (рис). Задача сводится к определению напряжения в любом соединение покрытия и металла. Начало координат выбрано в средней точке оси пластины. Сечение Z=0 остается при деформировании плоским. Нагрузка прикладывается только к торцам металла. Поэтому напряжение в покрытие возникает только из-за касательных напряжений на поверхности адгезионнойго контакта с металлом. Принимаем во внимание также, что линейные элементы при деформации остаются прямыми. Решение такой задачи получено в работе [3]. Согласно этой работы касательные напряжения т в поверхностном слое металла и нормальные напряжения в покрытии стп определенной из соотношений:
___ £М-К 5Ь кг
Т — 1 (1)
(;(—-—+—— Ем-Р„ £м
-) сЬкг ’
<2)
п'-Р„.|Г„ (Г..■в-..-'
Еп'Рп Ем-^м
К2 = 2Ш— + —)
** Т? .и С .Г '
(3)
где: Еп, Ем - модули упругости покрытия и металла соответственно; Fп, Fм - площади покрытия и металла соответсвенно;
эЪкг, сЬкг - гиперболические синус и косинус от аргумента кг.
Для пластин большой протяженности по ширине, с учетом эффекта Пуассона, в формулах для напряжения (1) и (2) вместо величин Еп и Ем подставляем величины Еп /(1-Дп) и Ем (1-^м).
Принимаем условие адгезионной и когезионной равнопрочности композиции металл - полимер. Для этого рассмотрим когезионное разрушение полимерного покрытия под действием нормальных напряжений стп, вызванных критической деформацией металла £мКр. Эти величины связаны зависимостью (2), а напряжения <тп в момент разрушения равны пределу прочности материала покрытия, т.е. ап = стпв. Величина адгезионной прочности будет оптимальной, когда максимальные касательные напряжения ттах на образовавшиеся в результате разрушения кромки полимерного покрытия будут равны пределу прочности сцепления, т.е. при достижении металлом критической деформации £Мкр произойдет одновременное когезионное разрушение покрытия и его отслоение в зоне образовавшейся трещины.
В связи с этим, для оптимального соотношения адгезионной и когезионной прочности полимерного покрытия в зависимости от критической деформации металла %кр необходимо определить эти величины из зависимостей (1) и (2).
Определяем максимальные касательные напряжения из уравнения (1) при Z=L для пластины единичной ширины 0=1):
Ем -К
Шс£. (4)
В большинстве случаев при нанесении полимерного покрытия на металлическую поверхность имеем Ем' Рм» Еп • ^ . Тогда
= £МК ЕпкЬкк Ь.
(5)
Учитывая, что на достаточном удаление от кромки при когезионном разрушении соблюдается равенство
^пв ^Пкр ' а также "ГСц Т-тах-, полу-
чаем условие адгезионной и когезионной равной прочности:
Ък = Нк ШкЬ. (6)
ОУгв
Критическую деформацию металла определяем из выражения (4):
тсц/
емкр-------^¡Г- (7)
и получаем зависимость для определения минимально допустимой прочности сцепления для случая статического растяжения композиции металл - полимер:
Т-сц ^Мкр^к^-1' ЕПкк. (8)
Остаточные нормальные напряжения в полимерном покрытии стп и металле стм определяет по формулам, предложенным С.П. Тимошенко [4] и уточненным в работах [5,6]:
где: кп, км - толщина полимерного покрытия и металла соответственно; к -общая толщина композиции металл - полимер; 8 - прогиб образца композиции; Ь
- ширина образца композиции; /„ = -^, 1
ум = —— моменты инерции полимерного покрытия и металла соответственно.
Результаты проведения исследования можно использовать в конструкторской практике при выполнении расчетов на прочность композиционных элементов металл - покрытие по предельным и остаточным напряжениям, а также деформациям металла, вызывающим отслоение полимерного покрытия от металлической поверхности.
Известно [1], что работа клеевого металлополимерного соединения глав-
ным образом определяется релаксационной способностью клеевого слоя, то есть является следствием деформационной способности, которую в условиях работы клеевого слоя проконтролировать практически невозможно. Выбор критерия прочности для клеевого металлополимерного соединения необходимо проводить с учетом структурных изменений, которым подвергается клеевой слой в процессе эксплуатации в составе изделия, и большого количества экспериментальных данных.
ния нормальных напряжений в полимерном покрытие стп и касательная напряжения Тв в зоне адгезионного контакта композиции металл - полимер.
При выборе критерия прочности для клеевых металлополимерных соединений на основании [7,8] отдадим предпочтение критерию наибольших касательных напряжений, т.е. третьей теории прочности, которую с учетом исследуемых значений нормальных и касательных напряжений рассматриваем в виде:
°эквкр = л/а2 + 4т2 < [а] (10)
Сравнение результатов расчета, выполненного с помощью зависимости (1 0), с экспериментальными данными, приведенными в работе [7], показало практически полное их совпадение, то есть факти-
ческие данные хорошо согласуются с расчетными.
Это позволяет сделать вывод, что работу исследуемых клеевых металлополимерных соединений можно рассматривать в рамках основных положений третьей теории прочности при наличии большого количества экспериментальных данных. Кроме того, работа этих соединений аналогична основным особенностям работы пластических материалов.
Используя результаты исследований, приведенные в работах [1,7] проведен сравнительный анализ диаграмм предельного напряженного состояния клеевого металлополимерного соединения, который показал, что предельные кривые для различных длительностей предварительной нагрузки можно рассматривать как эквидистантные по отношению к диаграмме предельного напряженного состояния, полученной по результатам кратковременных статических испытаний [8]. Это дает возможность по диаграммам кратковременной прочности описывать диаграммы предельного напряженного состояния после различной предварительной наработки. Для этой цели в зависимость (1 0) введем временный коэффициент, а оценку эквивалентного напряжения после различной предварительной наработки будем выполнять по следующему выражению:
с^экв, = а^л/п2 + 4, (11)
где п=^/т, ®эквс/^экв,ф.
В результате экспериментальных исследований были получены зависимости коэффициента аг от величины соотношения нормальных и касательных напряжений для клеевого металлополимерных соединений, нагруженных предварительными нагрузками величина которых составляла 0,25 Ркр, и 0,5 Ркр. Анализ полученных данных позволил сделать
заключение, что величина коэффициента является постоянной для различных соотношений нормальных и касательных напряжений. Это дает возможность более точно выполнять сопоставление влияния рассматриваемого эффекта степени снижения кратковременной статической прочности после предварительной наработки клеевого металлополимерного соединения. Результаты сопоставления для стали Ст.3 при напряжениях ст = 0,25 ств и ст=0,5 ств (соответствующих 0,2 5 Ркр, и 0, 5 Ркр), различных толщинах армированного клеевого слоя (0,5; 1,5; 2,5 мм) на основе клеевых композиций типа "Спурт-9М" и "ВАК-А" представлены в табл.1 . В качестве армирующего материала здесь применялась стеклоткань марки Т-11-ГВС-9.
Таблица 1 - Результаты сопоставления
Примечания: в числителе при предварительной нагрузке 0,25 Ркр; в знаменателе при предварительной нагрузке 0,5 Ркр.
Из табл.1 видно, что величина коэффициента а£ зависит от толщины армированного полимерного слоя и предварительной нагрузки. Результаты исследований позволили установить, что величина коэффициента аг для армированного полимерного слоя на основе клеевой композиции типа "ВАК-А" примерно на 10% выше, чем для армированного полимерного слоя - "Спрут-9М". Кроме того, наблюдается идентичное снижение прочности для армированного полимерного слоя на основе клеевых композиций типа "ВАК-А" и "Спрут-9М".
№ п/п Толщина армированного полимерного слоя, мм Минимальное значение аг
Клеевая композиция
«ВАК-А» «Спрут- 9М»
1. 0,5 0,47/0,57 0,42/0,52
2. 1,5 0,55/0,64 0,48/0,58
3. 2,5 0,43/0,54 0,37/0,45
Из литературы известно [1,5,6], что величину коэффициента можно определить по результатам стандартных испытаний на нормальный отрыв или сдвиг. Проведенные исследования позволяют нам сделать вывод, что диаграммы предельного напряженного состояния клеевого металлополимерного соединения для заданного времени предварительной наработки и условий испытаний можно описать с помощью третьей теории прочности, зная величину коэффициента аг, то есть рассмотренные диаграммы могут служить своеобразным эталоном, к достижению которого следует стремиться при разработке новых рецептур клеевых композиций и получении на их основе армированных полимерных покрытий.
Необходимо также отметить, что современное состояние науки позволяет теоретически и экспериментально оценить напряженное состояние поверхности склеивания, то есть определить величины нормальных и касательных напряжений, которые будут совместно передаваться клеевому металлополимерному соединению в составе изделия. Выполнив испытания прочности клеевого металлополимерного соединения на основе различных клеевых композиций при совместном действии нормальных и касательных напряжений в условиях, моделирующих реальные, построив по результатам этих испытаний диаграммы предельного напряженного состояния, можно оценить применимость армированного полимерного покрытия на основе любой клеевой композиции в конкретном клеевом изделии, то есть данные результаты исследований целесообразно использовать в конструкторской практике.
Кроме того, выявленная применимость критериев прочности для материалов, неодинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию, к металлополимерным свидетельствует о принципиальной возможности расчета диаграмм их предельного напряженного состояния по результатам стандартных испытаний на прочность при нормальном отрыве и сдвиге.
Литература
1. Корягин С.И.Несущая способность композиционных материалов. Калининград. ГИПП «Янтарный сказ». - 1996. - 301 с.
2. Корягин С.И. Теория адгезии и экспериментальные методы исследования прочности сцепления// Пластические массы. - 1997. - №3. с 17-21.
3. Корягин С.И. Оптимизация остаточных напряжений в полимерных покрытиях // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия физико - механические науки. -2007.вып. 3.с100-104.
4. Timoshenko S.P. Analysie of bimetae thermostate. J. Opt. Soc. Amer. 1925, 11, р 233-255.
5. Уланский Э.С., Лященко Б.А..Условия адгезионной и когезионной равно прочности жиростойких покрытий. В кН.: Космические исследований на Украине. В. 6. Киев. «Науковая думка», 1975. с 58-64.
6. Журавлев Г.И., Кирш М. К Методике определения термоупругих напряжений в покрытиях. Наука, 1972, с 315-321.
7. Корягин С.И. Научные основы обеспечения несущей способности металлических конструкций, упрочненных армированными полимерными покрытиями. // Автореф. дисс, ... д-ра техн. наук - Киев: ИПП НАН Украины, 1995, - 38с.
8. Корягин С.И., Власенко Е.А. Об эффекте восстановления прочности клеевых соединений под действием статической нагрузки // Изв. вузов. Машиностроение - 1987, №6
1 Липовская Елена Петровна, ассистент кафедры автосервиса БФУ, тел: (4012)338284, email: Elipovskaya@kantiana. ru
2 Пелевин Сергей Игоревич, аспирант кафедры автосервиса БФУ, тел: (4012)338284, еmail: Pele-vin17@gmail.ru
