книги / Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов

различных методов: разрывные машины, установку для дина­ мического нагружения и установки для измерения скорости ультразвуковых волн. Это позволило варьировать время дефор­ мирования / от 10“5 до 103 с.

На рис. 8.20 показаны зависимости модуля Юнга Е от тем­

энергии, получим окончательное урав­ нение, связывающее величину модуля Юнга Е с температурой

н временем нагружения t, совпадающие по виду с (8.37). Иссле­ дования показали, что величина тое = (10“12 -г- 10~14) с, т. е. совпадает с величиной т0 в формуле Журкова для времени до разрушения. Величина энергетического параметра W0 также совпала с энергией активации разрушения U0. Следовательно, эмпирическое уравнение (8.35а) действительно идентично вы­ веденному выше (8.35), причем релаксация модуля обусловлена ползучестью материала, уменьшающего величину развиваю­ щихся в нем напряжений, и контролируется термофлуктуационпыми процессами разрушения.

Термофлуктуационная природа релаксации модуля, как и прочности, должна проявляться в разбросе его значении. Опре­ деление модуля обычно проводят в режиме возрастающего на­ пряжения. Поэтому терхмофлуктуационный разброс модуля должен описываться такой же функцией, что и разброс прочно-

331

значение модуля. Сравнение полученных значений показало, что не обнаруживается систематических тенденций изменения

332

величины Е к росту (из-за ориентации) или уменьшению (из-за разрушения). Для каждой партии испытаний строили гисто­ граммы.

Из рис. 8.22 видно, что наблюдается разброс значений мо­ дуля относительно наиболее вероятного значения Ец (соответ­ ствующего максимуму «колокола» разброса), причем ширина

У = In In (1 —Р ( Е ) Г ' 9

опытные точки уложились на прямые линии в согласии с (8.36). В таком случае следует ожидать, что совпадут параметры kT/w,

dE/dY и yD £, Е^ и Е (8.35а). Из табл. 8.3 видно, что эти условия выполняются, т. е. разброс модуля объясняется стати­ стикой тепловых флуктуаций.

8.4.Релаксация внутренних напряжений

Внастоящее время в технике все более широкое распростра­ нение получают соединения металлов с полимерами, в част­ ности, антифрикционные полимерные покрытия. Анализ их проч­

ностных свойств с позиций кинетического подхода проведен в гл. 9. Здесь мы ограничимся рассмотрением внутренних на­ пряжений и их релаксации, кинетика которых оказывает зна­ чительное влияние на свойства покрытий.

Исследованию внутренних напряжений в полимерных покры­ тиях посвящено значительное число работ. В первую очередь

333

это относится к декоративным и антикоррозийным покрытиям, для которых внутренние напряжения являются фактически единственным видом механической нагрузки. Причины возникно­ вения напряжении в полимерных покрытиях, характер их влия­ ния па долговечность полимерного слоя и некоторые способы снижения [275], можно считать достаточно хорошо изученными. Существуют теоретически обоснованные ;i общепринятые по­ ложения, раскрывающие механизм возникновения и релаксации напряжении. Однако большинство авторов проводило исследо­ вания применительно к композициям на основе смол холодного отверждения. В то же время все большее промышленное при­ менение находят антфикрикционные покрытия на основе термо­ пластов, технология создания которых имеет свою специфику. Она заключается в значительно более широком температурном диапазоне теплового воздействия на полимер, что определяет процесс формирования надмолекулярных структур, а следова­ тельно, и все физико-механические свойства полимера, включая модуль упругости, способность к протеканию релаксационных явлений, термический коэффициент расширения и т. д.

Кроме того, использование термопластов для антифрикцион­ ных целен связано со специальными режимами термообра­ ботки, которые направлены на повышение их износостойкости, снижения коэффициента трения. Одновременно эти технологи­ ческие процессы оказывают воздействие и на напряженное со­ стояние покрытий.

Кроме технологических факторов величина внутренних напряжении зависит от вида и количества используемого напол­ нителя. В первом приближении может быть сделано предполо­ жение о том, что введение наполнителя с более высоким моду­ лем упругости приводит к соответствующему изменению деформативпых свойств полимерной композиции в пропорциях, опре­ деляемых количеством наполнителя и его собственным модулем упругости. Однако процесс осложняется тем, что подавляющее число наполнителей обладает структурообразующей способ­ ностью, что сопровождается значительным изменением свойств самого полимера. Интенсивность этих изменений, зависящая не только от вида наполнителя и его количества, но также и от дисперсности, трудно поддается математическому описанию, хотя известны отдельные попытки в этом направлении [155].

Третьей группой факторов, определяющих внутренние напря­ жения в полимерном покрытии, являются условия эксплуатации узлов, в которых они используются. Влияние на напряженное состояние покрытие состава полимерной композиции, а также технологических режимов (температуры нанесения покрытия, скорости охлаждения, термообработки) легко установить экспе­ риментально.

К эксплуатационным факторам, способным изменить напря­ женное состояние полимерного покрытия, кроме нагрузки,

334

можно отнести воздействие влаги, маслоиасыщение и темпера­ турные колебания. Например, в узлах гидропривода покрытие подвергается маслонасыщеиию и тепловому воздействию в ин­ тервале, ограниченном с одной стороны самой низкой темпера­ турой окружающего воздуха (—50 °С), а с другой стороны максимально допустимой температурой рабочей жидкости +80 °С). В узлах гусеничной тележки температурный диапазон остается тем же, но здесь полимерное покрытие неизбежно подвергается воздействию влаги. В шарнирных узлах рабочего оборудования с их сравнительно невысокими скоростями темпе­ ратурный интервал значительно уже, но фактор влияния влаги сохраняется.

Для проведения экспериментальных исследований в лабора­ торных условиях были подготовлены образцы с различными по составу полимерными покрытиями. В качестве наполнителей были использованы мелкодисперсные порошки, приготовленные из материалов, известных как антифрикционные добавки: графит и дисульфид молибдена. Кроме того были исследованы также композиции, содержащие фторопласт-4Д, показавшие хорошие антифрикционные свойства при повышенных температурах. В ка­ честве основного материала использовался порошок полиамид­ ной смолы 11-54 (ТУ 6-05-1032—73). Изменение напряжений в покрытиях производились но методу «консольного образца». Образец представляет собой металлическую пластинку, на одну сторону которой нанесено полимерное покрытие. К образцам такого типа предъявляются определенные требования. В част­ ности, регламентируется толщина металлической подложки и даются рекомендации но длине и ширине образца. В соответ­ ствии с ними металлические подложки изготавливались из ли­ стовой стали толщиной 0,5 мм прямоугольной формы 10 X Ю0 мм. Наносимый на нее стоп полимера также не превышал 0,5 мм. При таких размерах жесткость образцов определялась практи­ чески только жесткостью стальной подложки.

На стадии предварительных исследований было установлено, что у различных образцов при одинаковых условиях обработки н толщине шжрыгня прогибы существенно отличались. Причина этого явления заключалась в том, что несмотря на принятые меры при колебаниях температуры дополнительные напряжения возникали и в самих подложках. Таким образом, в известном виде метод консольных образцов для изучения покрытий из термопластов требовал своей доработки. С этой целью был разработан и изготовлен прибор, позволяющий производить измерения с учетом напряжений, возникающих в самой под­ ложке. Прибор представлен на рис. 8.24. Он состоит из ка­ меры 1, снабженной нагревательным элементом 2. Для регули­ рования температуры предусмотрен реостат 3. Контроль темпе­ ратуры осуществляется с помощью термопары 4 л миллиампер­ метра 5. Внутри камеры установлена стойка 6 для крепления

3 3 5

образца 7. Сверху камера снабжена прозрачной крышкой 8. Отклонение консолыю закрепленного образца измеряется с помощью измерительного микроскопа 9. Образец с нанесен­ ным полимерным покрытием помещался в термокамеру и на­ гревался до температуры, при которой остаточные напряжения в покрытии практически полностью исчезали, что фиксирова­

0,16 град/с. Охлаждение проводилось до комнатной темпера­

разца показывала величину отклонения за счет напряжений, возникающих в полимерном слое.

Используя данные, полученные при измерении, можно рас­

ния, оставшиеся в покрытии, а второй — их уменьшение за счет прогиба подложки. Если выполняется условие А/ <£С /, то второй член выражения (8.37) составляет мене 5 % от первого, поэтому в дальнейших расчетах он не учитывается.

На рис. 8.25 представлены графики зависимости внутрен­ них напряжений от количества б выделенных наполнителей. Наибольшее значение величина напряжений имеет место при добавлении 3 % дисульфида молибдена. При дальнейшем уве-

336

лпченни содержания этого наполнителя происходит снижение величины напряжений. Несколько меньшее влияние оказывает добавление фторопласта-4Д. Максимальное значение напряже­

зультаты представлены на рис. 8.26. Из графиков видно, что маслоиасыщенпе покрытий во всех случаях снижает величину

По данным опытов, сс оптимальная продолжительность при нор­ мальной температуре будет составлять 8 ч.

Изучение влияния влагонасыщеиия на изменение напряжен­ ного состояния полимерного покрытия проводилось по той же методике, и для маслонасыщения. Было изготовлено несколько партий образцов с полимерными покрытиями из разных по со­ ставу композиций. Сразу после нанесения был произведен за­ мер напряжений. Затем образцы помещались в резервуар с во­ дой, откуда они периодически (через час) вынимались для повторных замеров. Испытания проводились до полного водонасыщения полиамида, когда напряжения переставали изме­ няться, т. е. принимали постоянное стабильное значение. По

результатам этих экспериментов построены графики (рис. 8.27), из которых видно, что влага оказывает более существенное влияние на изменение внутренних напряжений, чем масло. Наи­ более интенсивное изменение напряжений наблюдалось в пер­ вые четыре часа пребывания образцов в воде, когда идет про­ цесс активного водонасыщения. Через определенное время почти у всех испытанных покрытий, за исключением компози­ ций, в состав которых входит фторопласт, обнаружены напря-

жения с обратным знаком. В покрытии из полиамидной смолы П-54 без наполнителей они были отмечены уже через 6 ч.

Значительное влияние на изменение напряжений оказывает температурное воздействие. Исследование этого явления имеет особенно большое практическое значение, так как колебания температур в узлах трения, прежде всего в механизмах, рабо­ тающих на открытом воздухе, происходит неизбежно и в весьма широком диапазоне. Создание методик расчета прочности и долговечности антифрикционных покрытий требует не только его качественного, но и количественного описания. Для реше­ ния этой задачи необходимо было осуществить специальное исследование в интервале температур от —50 до +120°С. В экспериментах по изучению кинетики нарастания напряже­ ний образец закреплялся на специальной подставке в термо­ камере холодильной установки, которая закрывалась термо­ изоляционной крышкой со смотровым окном. Через него при достижении в камере заданной температуры и получасовой выдержке осуществлялось измерение свободного конца кон­ сольного образца. Значения напряжений при различной темпе­ ратуре в покрытиях из полиамидной смолы 11-54 без наполни­ телей л композиций па ее основе, содержащей 15 % графита, представлены на рис. 8.28.

11олученные экспериментальные зависимости внутренних напряжений в тонких полимерных покрытиях из полиамида

338

показывают, что величина напряжений существенно зависит от принимаемых наполнителей, температуры и таких эксплуата­ ционных факторов, как влаго- и маслонасыщение. При этом механическое поведение полимерных покрытий можно рассмат­ ривать как изменение во времени напряжений при заданной деформации. Процессы этого изменения при температурах, рекомендовапых для их применения: (—50)Ч-(+100)С, можно моделировать с помощью реологиче­ ской схемы, изображенной на рис. 8.29.

В модели учитываются упругие и вы­ сокоэластичные свойства данного по­ лимера, которые зависят от темпера­ туры и времени. Соответствующее феноменологическое описание про­ цесса релаксации напряжений при по­ стоянной деформации дается выраже­ нием:

о (0 = г (Ee-Et^ + Eih (8.38)

где t — время; т), Е, Е \— деформаци­ онные характеристики физико-механи­ ческих свойств полимера [61].

Выражение (8.38) удобнее пред­ ставить в виде:

пряжения в полимере, подвергнутом постоянной деформации, примут постоянное значение оь обусловленное его высокоэла­

чальное значение напряжений. Применительно к данному экс­ перименту а(0) — значение остаточных напряжений в полиамид­ ном покрытии сразу после охлаждения образца. Таким образом, сделав измерение остаточных напряжений в начальный момент времени, а затем еще два раза через время tY и /2 можно с по­ мощью выражений (8.39) —(8.41) рассчитывать напряжения в любое время.

Коэффициент линейного расширения полиамида примерно иа порядок больше, чем у стали, поэтому связанное силами адгезии с металлической подложкой полимерное покрытие при

охлаждении подвергается растяжению. Величина относитель­ ной деформации полимера может быть рассчитана но следую­ щей формуле:

При известном модуле упругой деформации с помощью вы­ ражений (8.38), (8.42) можно рассчитать величину внутренних напряжений при любой температуре полимерного покрытия.

где Е\ — модуль упругой деформации при 293 К; Г — текущее значение температуры; 6 — постоянный коэффициент. По дан­ ным работы [65], значение этого коэффициента для капролона и смолы П-68 равно 0,01. На основании исследований, прове­ денных в данной работе, для полиамидной смолы П-54 его зна­ чение определено равным 0,015.

Экспериментальные исследования показывают, что наиболее интенсивный процесс релаксации напряжений протекает в те­ чение первых 20—30 ч после нанесения покрытия. В этот же период они интенсивно изменяются в зависимости от влаго-, маслонасыщения и других факторов. Этот период по сравнению с продолжительностью всего периода службы узла тренид весьма мал. В дальнейшем остаточные напряжения стабилизи­ руются и могут быть рассчитаны как о„ = гЕ или, подставляя значения а и £ из выражений (8.42) и (8.43),

Здесь Го — температура, при которой происходит релаксация напряжений. Принимая во внимание зависимости (8.38а) и (8.42), формулу (8.44) можно представить в виде:

где кп и км — коэффициенты, учитывающие влияние наполните­ лей и маслоиасыщение покрытий. Значение этих коэффициентов устанавливается экспериментальным путем для каждого кон­ кретного случая. Если величина 0\ установлена после полного маслонасыщения образца с введением в полимер наполнителя, то значения кп и км будут равными единице.

Экспериментально установленные зависимости величины остаточных напряжений от целого ряда эксплуатационных фак­ торов позволяют достаточно просто определить их в полиамид­

340