CC BY
15
ФИЗИКА
М.А. ЧИЖИК, Ю.И.МАТЯШ
Омский государственный институт сервиса
УДК 687:678.029.42
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ_
ПРЕДЛОЖЕН МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ НА БАЗЕ ОГРАНИЧЕННОГО КОЛИЧЕСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ РАССЧИТЫВАТЬ ПАРАМЕТРЫ УРАВНЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ.
К настоящему времени предложено немало проектов использования конструкций из термопластичных материалов, в виде синтетических пленок и тканей, для создания различных космических объектов (отражателей антенн, несущих конструкций, блоков лунной и марсианской баз, аэродинамических тормозов и т.п.).
В силу специфических условий эксплуатации, к таким изделиям предъявляется ряд повышенных требований по прочности сварных соединений, которая характеризуется разрывной нагрузкой швов, работающих, в зависимости от схемы нагружения, на расслаивание и сдвиг.
Ранее проведенные теоретические разработки дают возможность осуществлять прогнозирование прочности сварных соединений, выполненных из термопластичных материалов и при этом устанавливать оптимальные сочетания параметров режимов сварки, обеспечивающие получение заданных значений разрывной нагрузки швов.
Однако следует отметить, что по разрывной нагрузке швов нельзя сделать заключение об их долговечности, так как в реальных условиях эксплуатации изделия швы и материалы крайне редко подвергаются лишь однократному воздействию нагрузки, доводящей их до разрушения.
В связи с этим необходимо располагать надежными методами прогнозирования, которые позволили бы оценить работоспособность сварных швов при заданных условиях эксплуатации.
Анализ имеющихся исследований в этом направлении показывает, что в последние годы особое внимание уделялось разработкам методик оценки и прогнозирования значений различных свойств материалов и изделий из них. При этом ни одна из существующих методик не учитывает такой показатель надежности, как долговечность сварных соединений, что, в свою очередь, не дает возможности установить достоверные сроки службы изделия в целом.
Таким образом, объективно существует необходимость в разработке методики прогнозирования долговечности соединений термопластичных материалов, выполненных методом сварки.
В основу разрабатываемой методики положено уравнение, описывающее процесс разрушения полимеров и сварных соединений из термопластичных материалов /1.2/.
X = т. схр
(1)
Оно устанавливает взаимосвязь между разрушающей нагрузкой Р(н), температурами Т (град.К) и времени их действия т (с). Константы II и Р' - физические характеристики материала:
и - энергия активации процесса разрушения, исходный потенциал работоспособности, кДж/моль;
р' - структурно-механический фактор, характеризую-
щий эффективность нагрузки ее вид и сопротивление материала, 1/Н;
т. - эмпирическая константа, с. Обобщение уравнения (1) на случай произвольных распределений нагрузки можно записать в следующем виде:
т = т. ех
V(P)exp(-P'P)dP,
(2)
[f(P)dP = l
f(P) =
f(P) = -
i>
f(P) = 0,
0 < P < P.,
p>p„
(3)
- равномерное распределение - соответствует равновероятному действию любых нагрузок до Рр Подставляя (3) в (2) и интегрируя, имеем:
= т. ех
U RT U RT
р
I—(l-exp(-(J'Pp
(4)
Р'Р,
Если Р' ■ Рр > 1 , то ехр^З'Р,,) стремится к нулю и тогда уравнение (4) принимает вид:
1
Р'РР
U
RT
(5)
Следует отметить, что прочностная долговечность сварных соединений может быть рассчитана для различных режимов нагружения, исходя из факта необратимости действия нагрузки и суммирования накапливающихся в материале повреждений.
Параметры рассмотренного выше уравнения (1) могут быть определены по данным зависимости разрывной Р-.И
40
3,4
Кщ.
! 82
нагрузки сварного шва Ррот температуры Т (при постоянном времени разрушения) и скорости деформирования V, что позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований соединений на долговечность.
Согласно /3/ метод определения констант материалов, входящих в уравнение (1), при испытании на разрывной машине основан на принципе суммирования нарушений, известном как критерий Бейли:
где 1 (Р) - функция распределения разрушающей силы, нормированная условием
рр
dt
¿¡1С(0;Т(1)Г
где 1р - время до разрушения при любом режиме нагружения, при определении температурной зависимости прочности - постоянная и известная из опыта величина. Прологарифмируем уравнение (1).
lg-c = lgt. + Запишем относительно Р
U RT
-Р'Р Hgc
2-3 А , ï U
(7)
(8)
Из уравнения (8) следует, что зависимость Ррот 1/Т - линейна при т=сопэ1, и это позволяет определить II по тангенсу угла наклона прямой:
АР _ Ц 1ёС1_ Д(1/Т) — р' - К. (9)
При условии Т=сопз1 и поскольку
1ёт = 1ё1-18У. (10)
где I - путь, по которому проходит разрушение при скорости деформирования V, Р' определяют из угла
наклона зависимости Рп-^\'
ДР _ 2,3 41ёУ р' '
Константу т. можно определить из графиков зависимостей Рр —1/Т и Рр — V , или используя интеграл Бейпи:
(11)
lgt.
Р'-Рр
_U
' 2,3 RT '
IgP'-
tp
(12)
' 1УТ 10ЭК
-5.6
-3.«
LgV
Рис.1. Зависимость прочности сварного соединения 43 материала с полимерным покрытием (ПВХ) от температуры Рр^(1/Т) (а) и скорости деформирования Рр=Ц1д V) (б)
Таким образом, все константы уравнения могут быть определены по данным кинетического нагружения при условии аддитивности времен.
С целью подтверждения проведенных теоретических исследований испытания на долговечность и кратковременную прочность (разрывная нагрузка) проводили на образцах соединений, выполненных методом лазерной сварки на полиамидной (ПА-6), полиэфирной (ПЭТФ) тканях и материале с полимерным покрытием (ПВХ-поливинилхлорид).
Выбор вышеперечисленных материалов обусловлен тем, что они широко используются для изготовления изделий специального назначения; охватывают значительную часть широкого ассортимента синтетических материалов, что позволяет обеспечить получение максимально достаточного спектра данных для обобщения результатов; наилучшим образом отвечают основным условиям, обеспечивающим эффективность лазерной сварки и высокие показатели качества сварных ссединений.
Сварку образцов осуществляли с использованием С02 - лазера типа ИЛГН - 701 с длиной волны 10,6 мкм. Целесообразность использования данного типа лазера объясняется тем, что в области его излучения вышеуказанные материалы имеют максимальный коэффициент
поглощения и цвет ткани не оказывает влияния на оптические характеристики.
Испытание образцов проводили при температуре 293-353К.
Кратковременную прочность исследуемых образцов определяли на универсальной разрывной машине ^ЭТЯОЫ, работающей по принципу "с постоянной скоростью деформирования". При определении температурной зависимости прочности скорость деформирования выбирают такой, чтобы время разрушения находилось в пределах от 7 до 17 с.
На рис.1 представлены результаты эксперименталь-
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуков С.Н., Темашевский Э.Е. Исследование прочности твердых тел. Техническая физика. Вып. 1,1955. Т. 21. С. 66-73.
2. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Темашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.-М.: Наука, 1974. 560 с.
3. Вартанян А.И., Ратнер С.В., Прошутинская З.В. Зависимость прочности сварных соединений из полиамидного
С.А. КОРНЕЕВ
Омский государственный технический университет
УДК 536.7
ВВЕДЕНИЕ
В феноменологической термодинамике понятие температуры обычно вводится через нулевое начало: если имеются три равновесные системы А, В, Си если системы А и В порознь находятся в равновесии с системой С, то системы АиВ находятся в термодинамическом равновесии и между собой (свойство транзитивности термодинамического равновесия) [1]. В результате делаются следующие выводы:
"Температура, как мы видим, является термодинамически равновесным параметром, так как существует только у термодинамически равновесных систем" [1].
"Температура, как мы видим, есть одна из макроскопических характеристик состояния тел. Это понятие... строго применимо только для систем, находящихся в термодинамическом равновесии, однако им постоянно пользуются также и в тех случаях, когда полного термодинамического равновесия еще нет. Говорят, например, о неравномерно нагретых телах, разные точки которых имеют разные температуры... Но могут быть и такие сильно неравновесные состояния, что разделение системы на малые макроскопические части, практически являющиеся равновесными, невозможно. К таким состояниям понятие температуры не применимо" [2].
В статистической механике температура определяется через среднюю кинетическую энергию хаотического движения молекул (см., например, [2-4]). Более того, эти два понятия неявно отождествляются. Это приводит к следующему представлению:
ных исследований, из которых видно, что зависимость прочности от температуры и скорости деформирования сварных соединений из материала с полимерным покрытием (ПВХ) линейны в координатах (1/Т - Рр) и (1д\/ - Рр), как того и требует уравнение (1).
Характеристики материалов, полученные в ходе экспериментальных исследований, приведены в табл.1.
Таким образом, использование предложенной методики позволяет при минимальных затратах времени оценить работоспособность соединения, выполненного методом сварки с позиции долговечности.
и полиэфирного материалов от температуры и скорости деформирования. Сб. научных трудов ЦНИИШП. - М.: ЦНИ-ИТЭИлегпром, 1989. С. 84-90.
ЧИЖИК Маргарита Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования швейных изделий Омского государственного института сервиса;
МАТЯШ Юрий Иванович - доктор техничеих наук, профессор, заведующий кафедрой естественно научных дисциплин Омского государственного института сервиса.
"Температура есть одна из макроскопических характеристик состояния тел. Это понятие не имеет смысла для систем, состоящих из одного или большего числа атомов и молекул" [2].
Иное понимание температуры имеет место в теории излучения: температура считается обратно пропорциональной длине волны, на которую приходится максимум энергии излучения в распределении по длинам волн [5]. В равновесных условиях такое представление позволяет с единых позиций описывать температуру и газа, и вакуума. Например, в книге [5] указывается на следующее:
"Определение температуры по формулам излучения является даже более общим, поскольку оно пригодно как для пространства, заполненного веществом, так и для вакуума. Поэтому распространенное определение температуры в качестве величины, пропорциональной средней кинетической энергии поступательного движения молекул, следует рассматривать как частное определение температуры, а именно температуры газа, приближающегося по своим свойствам к свойствам идеального газа".
Таким образом, вопрос о существовании и свойствах температуры заслуживает отдельного рассмотрения.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОМЕТРИИ
В классической термодинамике Клаузиуса-Кельвина температура воспринимается как мера нагретости, физический смысл которой поясняется через способ ее измерения.
Прямых методов измерения меры нагретости не существует. На практике используются косвенные методы, в
Таблица 1
Значение констант материалов уравнения(1)
Материал и, кДж/мопь с 0, 1/Н
ПА-6 185 -12 1,06
ПЭТФ 210 -18 0,51
ПВХ 195 -16 0,78
КЛАССИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПОНЯТИЮ ЭМПИРИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ_
НА ОСНОВЕ КЛАССИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭМПИРИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ КАК МЕРЕ НАГРЕТОСТИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТЕЛ СФОРМУЛИРОВАН ОДИН ИЗ ПОСТУЛАТОВ ТЕРМОДИНАМИКИ ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ.
