ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы МАСШТАБНЫЙ ЭФФЕКТ В АДГЕЗИОННЫХ СОЕДИНЕНИЯХ из "Свойства и расчет адгезионных соединений" При оценке масштабного эффекта в адгезионных соединениях следует учитывать зависимость механических свойств свободной полимерной прослойки от размеров соединения, как это делается для всех твердых тел, а также влияние поверхности раздела. Влияние поверхности раздела проявляется в изменении структуры и состава адгезива по толщине вследствие контакта с субстратом (химические и физико-химические факторы) и изменении прочностных характеристик адгезионного соединения из-за различия деформационных показателей адгезива и субстрата, а также влияния формы соединения (механические факторы). В определенных условиях изменение структуры и состава адгезива также отражается на его механических свойствах. Химические п физико-химические факторы проявляются в основном по толщине клеевой прослойки, тогда как механические — также по длине и ширине адгезионного соединения. [c.65] Необходимо учитывать также остаточные напряжения, возникающие в адгезионных соединениях при их формировании. Известно, что такие напряжения наибольшие вблизи границы раздела, что определяет их влияние на масштабный фактор по толщине. В последнее время, однако, получены прямые подтверждения того, что остаточные напряжения изменяют прочностные и деформационные свойства полимеров в блоке [74]. Оказалось, что остаточные напряжения, по знаку противоположные возникающим от внешней нагрузки, приводят к повышению прочностных и деформационных характеристик, а напряжения того же знака — ухудшают их. Характерно, что минимальная деформационная способность отмечается для участков материала, на которых остаточные напряжения изменяют знак. [c.65] Масштабный эффект в адгезионных соединениях больше всего изучался для клеев, причем основное внимание уделялось толщине клеевого шва. Установлено, что прочность зависит от толщины клеевого шва при работе клеевых соединений на равномерный отрыв, сдвиг при растяжении или сжатии и раздир. [c.66] Разрушающее напряжение клеевого шва соединений внахлестку (сдвиг при растяжении), рассчитанное с учетом концентрации напряжений и отрывающих усилий по Фолькерсену и Голланду — Рейсснеру повышается с ростом толщины шва (см. рис. 3.1). Более близкие к эксперименту результаты получаются при использовании критериев механики разрушения, однако, как это показано в настоящей книге, правильнее применять методы, основанные на учете свойств пограничного слоя. [c.66] Однако, прочность соединений при равномерном отрыве оказывается по абсолютному значению, как правило, выше прочности большинства соединений, испытывае.мых при другом напряженном состоянии. Исключение, пожалуй, составляет прочность при чистом сдвиге (кручение склеенных встык колец). [c.67] При испытаниях на сдвиг и равномерный отрыв прочность снижается с увеличением толщины клеевого шва, а при расслаивании, особенно систем на высокоэластичных адгезивах,— повышается (рис. 3.3). Это связано с тем, что с увеличением толщины клеевого шва при расслаивании и когезионном (по клеевому шву) разрушении увеличиваются затраты энергии на деформацию адгезива. [c.67] При сдвиге и равномерном отрыве этот фактор имеет меньшее значение по сравнению с концентрацией напряжений. Можно предположить, что при однородном напряженном состоянии масштабный эффект может быть выявлен в более чистом виде. С этой целью были проведены испытания на сдвиг при кручении [104] трубчатого образца из закаленной стали Ст. 45 с толщиной стенки 3 мм. Торцы образца, подлежащие склеиванию, обрабатывали по 10-му классу чистоты, что обеспечивало высокое качество поверхности и возможность получения тонких клеевых швов. Среднее квадратичное отклонение по высоте, измеряемое по 10 точкам периметра торца, оказалось равным 2,41 мк. Склеивание производили клеем К-П5, отвержденным при 20 С без термообработки и с последующей термообработкой. В первом случае разрушение клеевого соединения имело адгезионный характер, во втором — смешанный. На рис. 3.4 (кривые 1, 2) показана зависимость прочности клеевых соединений на сдвиг при кручении от толщины клеевого шва [79]. Для сравнения те же зависимости приведены и для других напряженных состояний (рис. 3.4, кривые 3—6) [58, 77]. [c.67] Зависимость прочности клеевого соединения от толщины шва проявляется в меньшей степени при использовании пластифицированных клеев или с небольшой степенью отверждения вследствие сравнительно быстрого протекания релаксационных процессов. [c.68] Затраты энергии на деформирование гораздо больше поверхностной энергии, в связи с чем второй член в этом уравнении, включающий масштабный фактор по толщине шва, имеет главенствующее значение. [c.69] На примере адгезивов из сополимеров этилена с акрилатами или винилацетатом установлено, что толщина слоя адгезива, в котором происходит диссипация энергии, меньше толщины клеевого шва и возрастает с увеличением усилия расслаивания [85]. Энергия, затрачиваемая собственно на процесс разрушения адгезионных соединений, зависит от возможности реализации пластических деформаций в вершине растущей трещины. Этот процесс существенно зависит от толщины клеевого шва. [c.69] Если же б 2гпл, то напряженное состояние в вершине трещины может меняться. Для блочных образцов, если б 2лггл, также наблюдается снижение трещиностойкости в силу тех же причин. [c.71] Если при испытаниях на трещиностойкость при неравномерном отрыве (разрушение I вида) моделирующие рост трещины в пограничных слоях энергетические показатели заметно зависят от толщины клеевого шва (независимо от введения эласти-фикаторов), то при сдвиге (разрушение II вида) и неравномерном отрыве со сдвигом (разрушение I, II вида) это проявляется меньше [78]. Эффект от введения каучуков и полиуретанов в эпоксидные композиции при разрушении II и I, II видов по сравнению с I весьма невелик. На основании сравнения с поведением блочных образцов при отрыве, сдвиге и комбинированном действии сил был впервые сделан вывод [78], что при деформациях сдвига не увеличивается свободный объем, так что присутствие частиц модификатора, дпспергпрованных в матрице, не приводит к увеличению затрат энергии на неупругое деформирование в вершине трещины. На этот процесс накладывается повышенная деформативность соединения в процессе роста трещины. Причиной этого может служить образование микротрещин и на границе раздела субстрат — полимер. Следует подчеркнуть, что истинно адгезионного разрушения при этом не происходит. На поверхности субстрата всегда можно обнаружить тот или иной слой полимерной фазы. Однако, его свойства отличаются от свойств полимера в блоке, и прорастание начальных трещин инициируется в этом пограничном слое. [c.71] Сказанное выше относилось к влиянию на трещиностойкость особенностей напряженного состояния в полимерной прослойке адгезионных соединений при разном соотношении толщины прослойки б и зоны в вершине растущей трещины, в которой развиваются пластические деформации (2гпл). Последняя величина непосредственно связана с гетерогенностью композиции. Однако, на гетерогенность существенно влияет поверхность субстрата вследствие действия поверхностных сил и преимущественной адсорбции тех или иных компо- / //(7 нентов (см. гл. 4). [c.71] В значительной степени гете-рофазность сказывается при использовании олигомерных адгезивов, модифицированных с целью повышения ударной прочности, трещиностойкости и т. д. [c.71] Именно в этом случае наибо- 2г п лее заметно влияние толщины прослойки адгезива на указанные показатели. На кривой гг п зависимости энергии разрушения Огс от толщины прослойки для эластифицированных композиций, отличающихся степенью гетерогенности, как было показано выше, наблюдается экстремум, отвечающий максимальной энергии разрушения. Его положение и величина зависят от двух эффектов стеснения локальных и пластических деформаций в вершине растущей трещины и процессов изменения значения и перераспределения остаточных напряжений при эластификации адгезионной прослойки [87]. [c.72] что по мере повышения температуры толщина шва, при которой проявляется максимальное значение Си повышается и зона, в которой развиваются пластические деформации в вершине растущей трещины, увеличивается [80]. [c.72] Подобные эффекты характерны для различных систем вплоть до наполненных полимеров. Например, деформация полиэтилена высокой плотности, наполненного гидроксидом алюминия, зависит от толщины прослойки матрицы между частицами наполнителя, причем существует критическая толщина полимерной прослойки между частицами наполнителя, где еще реализуется пластическое течение [88]. Влияние толщины зависит от длительности приложения нагрузки, температуры и других факторов. [c.72] Классическим примером служит соединение листовых металлов внахлестку. По мере увеличения длины такого соединения разрушающая нагрузка растет, а прочность увеличивается несьма незначительно (рис. 3.9). [c.73] Графическая зависимость результатов дана на рис. 3.10, на котором приведены данные для испытаний клееных образцов по схеме, характеризующейся значительными нормальными напряжениями (кривая 4). Цельные деревянные балки [92], нагружаемые по схеме, характеризующейся значительными нормальными напряжениями, обнаруживают несколько иную зависимость масштабного фактора, что может отражать влияние дефектов и концентрации напряжений в клеевых швах. [c.73] Вернуться к основной статье