Прочность и долговечность адгезионной связи клеев и компаундов с гранитом, бетоном и сталями Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 667.638; 678

А.Я. БАШКАРЕВ, В.И. ВЕТТЕГРЕНЬ, В.А. СЫТОВ

Санкт-Петербургский политехнический университет

ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АДГЕЗИОННОЙ СВЯЗИ КЛЕЕВ И КОМПАУНДОВ С ГРАНИТОМ,

БЕТОНОМ И СТАЛЯМИ

Установлено, что между характеристическими температурами Tt и Tb температурно-временная зависимость прочности адгезионной связи клеев и компаундов с гранитом, бетоном и сталями описывается уравнением Журкова. При T < Tt прочность не зависит от температуры, временная зависимость прочности описывается квантовым аналогом уравнения Журкова. Найдено эмпирическое выражение, описывающее температурно-временную зависимость прочности при T > Tb. Эти результаты позволили предложить способ прогнозирования долговечности адгезионных соеднинений при любой температуре по результатам измерения прочности в интервале Tt < T < Tb.

It was established that the connection between the adhesion strength of glues and compounds with granites, betons and steels is described by Zurkov's equation inside temperature range Tt and Tb were Tt and Tb are characteristics temperatures. At T < Tt the adhesion strength does not dependence of temperature, and time dependence is described by quantum analog of Zurkov's equation. It was found an empirical equation describes temperature-time dependence above T > Tb. These results permits us to predict of time to fracture of adhesion joints using the results of measuring of strength at any temperature between Tt < T < Tb.

Прочность а является одной из важнейших характеристик адгезионных соединений. Известно, что для металлов, кристаллов, полимеров и т.д. она связана с температурой Т и временем до разрушения (долговечностью) т уравнением Журкова [3, 4]:

U0 kT т

а = —0--Ln —,

У У то

(1)

где т0 « 10 13 с; и0 - энергия активации; у -активационный объем разрушения; к - константа Больцмана.

Литература, в которой бы анализировалась справедливость этого уравнения для адгезионных соединений клеев и компаундов с металлами и горными породами, весьма скудна и противоречива [1, 2]. Отмечается, что часто встречаются значительные отклонения от него в области нормальных и высоких температур, причем природа отклонений не выяснена. Долговечность адгезионных соединений при отрицательных температурах не изучалась.

Результаты исследований температурных зависимостей прочности адгезионных связей со сталью 45 (рис.1), гранитом и бетоном (качественный характер зависимостей одинаков) ряда клеев и компаундов показали, что температурную кривую можно разбить на три участка:

• до достижения характеристической температуры Т прочность не зависит от температуры;

60 ■

50 ■

40 ■

20 ■

10 ■

100

200 300 Температура, К

400

500

Рис.1. Температурная зависимость прочности адгезионной связи клея К-300 со сталью 45

Санкт-Петербург. 2005

2,0 ■

1,5

е 1,0 ■

с

0,5 ■

0 ,0 ■

2,2

2,4

2,6 2,8 10-3 1/Т, К-1

3,0 3,2

Рис.2. Зависимость lno от 1/Г для адгезионной связи клея К-300 со сталью 45

• между двумя характеристическими температурами Т и Ть прочность уменьшается пропорционально температуре;

• при Т > Ть наклон температурной зависимости прочности постепенно уменьшается при повышении температуры.

Рассмотрим вначале область температур между Т и Ть. При постоянной скорости нагружения уравнение (1) можно переписать в виде

5

U0 kT 0,1tf

(T ln-

У У

(2)

где - время до разрушения. Вычисления при помощи этого уравнения показали, что и0 = 115 ± 10 кДж/моль, а у = 1,7^2,8 нм3.

Отклонения уравнения Журкова в области низких температур (Т < Т) обусловлены изменением механизма разрыва межатомных связей. Если при высоких температурах межатомные связи разрываются под влиянием тепловых флуктуаций, то при низких - за счет туннельных переходов. В этом случае уравнение (1) приобретает вид

U0 kFq , Т

5 «—0--- ln-,

У У Т0

(3)

где Fq « сonst - квантовая функция. Видно,

что в этом случае прочность не зависит от температуры, но зависит от времени.

Рассмотрим теперь область температур Т > Ть « Тё, где Tg - температура стеклования. Известно, что при температурах выше Тё предразрывная деформация растет и величина у непрерывно уменьшается, что приводит к уменьшению наклона температурной зависимости прочности, наблюдаемому в эксперименте. Эмпирическое уравнение, описывающее зависимость прочности от температуры при Т > Ть , имеет вид

ln 5 :

an о(т)

3кТ, т T

g ln— + 3-L,

U0

T

(4)

где <(Tg) - прочность при температуре

стеклования.

На рис.2 показана зависимость lno от 1/Т для адгезионной связи клея К-300 со сталью 45. В согласии с (4), тангенс угла наклона прямой равен 3Tg и не зависит от времени до разрушения.

Эти результаты позволили предложить следующий метод прогнозирования прочности адгезионных соединений. Сначала измеряется прочность при температуре в интервале Tt < T < Tb. По табличному значению U0 и формуле (2) вычисляется у, затем прочность при Tt и Tb по формуле (1). Получив Fq из (3), можно рассчитать долговечность при любой температуре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров /

A.А.Берлин, В.Е.Басин. М.: Химия, 1969.

2. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977.

3. Петров В.А. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов /

B.А.Петров, А.Я.Башкарев, В.ИВеттегрень. СПб: Политехника, 1993.

4. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р.Регель, А.И.Слуцкер, Э.Е.Томашевский. М.: Наука, 1974.

Т

0

Т

0

142--

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.166