Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Скачать 341.54 Kb.
|
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИИМетоды измерения адгезии можно классифицировать по способу нарушения адгезионной связи: неравномерный отрыв, равномерный отрыв и сдвиг [5]. Разрушающие методы могут быть статическими и динамическими. Однако следует иметь в виду, что не существует методов, при использовании которых напряжения распределялись бы действительно равномерно и представляли бы собой сдвиг или отрыв в чистом виде. Поэтому такая классификация весьма условна. В зависимости от метода испытания за меру адгезии могут быть приняты сила, энергия или время. Для динамических методов показателем прочности адгезионного соединения служит число циклов нагружения до разрушения. Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (отслаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в величине адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и отличаются простотой. Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта (методы равномерного отрыва и сдвига) не всегда правильно. По этой причине усилие отрыва или сдвига, отнесенное к площади отрыва, можно рассматривать только как весьма приближенную характеристику адгезии [5]. Наряду с количественной характеристикой прочности адгезионного соединения необходимо знать характер разрушения - когезионный, адгезионный или смешанный. Методы неравномерного отрываМетоды неравномерного отрыва весьма разнообразны. Общим признаком для них является нарушение связи между адгезивом и субстратом, причем усилие прикладывается не к центру соединения, а к одному его краю, поэтому связь нарушается постепенно. Разделение двух гибких материалов называют расслаиванием, а отделение гибкого материала от жесткого - отслаиванием. Если пленка адгезива (покрытия) недостаточно прочна, то при отделении от субстрата она может разрушиться. Чтобы этого не произошло, пленка укрепляется подходящим армирующим материалом. Пользоваться армирующим материалом приходится и в тех случаях, когда адгезив или субстрат под действием расслаивающего усилия способен сильно деформироваться - растягиваться. В тех случаях, когда разделяются путем постепенного нарушения связи два монолитных, негибких материала, такое испытание называют раскалыванием или отдиром. Все эти виды испытаний могут быть объединены одним общим термином - неравномерный отрыв. Различные схемы испытаний на неравномерный отрыв приведены на рис.4,5.  Рис. 4. Схемы испытаний по отслаиванию жестких материалов: а – внецентренное растяжение для блочных материалов; б – изгиб для плиточного и листового материалов; в – изгиб для листового материала; г – консольный изгиб  Рис.5. Схемы испытаний по отслаиванию гибких материалов от жесткой подложки под углом 90° (а, б, в) и 180° (г) и по расслаиванию гибких материалов (д) Распределение напряжений в системе зависит от угла приложения силы. Меняя угол приложения силы, можно получить чистый сдвиг, чистое расслаивание, а также их сочетание. Сопротивление отслаиванию при постоянной скорости и прочих равных условиях является, таким образом, функцией величины угла отслаивания , то есть угла между направлением действующей силы и плоскостью склеивания. Напряжения, возникающие под действием приложенной внешней силы, распределяются равномерно по толщине и ширине образца и являются функцией расстояния от передвигающейся границы разрушения. По мере изменения угла отслаивания меняется характер процесса разрушения. Минимальное сопротивление отслаиванию имеет место при угле 180. По мере уменьшения угла сопротивление отслаиванию постепенно возрастает. При некотором малом угле отслаивания наблюдается переход от разрушения вследствие отслаивания к разрушению под действием сдвига, а при угле отслаивания, равном 0, разрушение осуществляется только путем сдвига. Методы равномерного отрываМетодом равномерного отрыва измеряют величину усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта. Усилие при этом прикладывается перпендикулярно плоскости клеевого шва, а величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта (в Н/м2). Чаще всего для измерения адгезии пользуются образцами грибкового типа, между торцовыми поверхностями которых находится адгезив. Таким способом измеряют, например, адгезию резины к металлам. Формы грибков и прослоечной резины весьма различны (рис.6).  Рис.6. Резино-металлические образцы для определения адгезии резины к металлам Чтобы избежать образования шейки при испытании, предложены образцы с диаметром резинового диска, превышающим диаметр металлического грибка. В последнее время рекомендованы грибки конической формы. Однако ценность такой модификации сомнительна: концентрация усилий у вершины конуса, а также сочетание сдвига с отрывом создают весьма сложное распределение напряжений. Для измерения адгезии заливочных компаундов к металлам, полимеров к стеклу, прочности связи между слоями в стеклопластиках два грибка или цилиндра, имеющие на торцевой части уже сформированное покрытие, склеивают специально подобранным клеем, адгезия которого к покрытию должна быть выше, чем адгезия покрытия к подложке. К поверхности покрытия, нанесенного на подложку, иногда приклеивают отрывающее приспособление, а затем прикладывают усилие, направленное перпендикулярно поверхности покрытия (рис.7). Применение этого метода ограничено из-за трудности подбора соответствующего клея.  Рис.7. Схемы измерений адгезии полимеров к различным материалам методом отрыва: а – резина к ткани (1 – ткань, укрепленная на деревянном грибке; 2 - резина); б – смола к стеклу (1 – металлические цилиндры; 2 – стеклянные пластинки; 3 – клей; 4 – слой смолы); в – заливочные компаунды к металлам (1 – металлическая подложка; 2 – компаунд; 3 – держатели) Иногда вместо склеенных встык цилиндров для измерения адгезии методом отрыва применяют образцы в виде крестовины (рис.8). Таким методом измеряют адгезию клеев к металлам, дереву и стеклу.  Рис.8. Определение адгезии клеев к различным материалам на образцах в форме крестовины: 1 – клеевой шов; 2 – захват для крепления образца при испытании; 3 – бруски В образцах типа грибков и крестовин под действием нагрузки возникают сложные и неоднородные напряжения. Адгезив растягивается сильнее, чем субстрат, и в большей степени подвергается поперечному сжатию. При этом возникают сдвиговые напряжения. Результирующие напряжения в слое адгезива оказываются неодинаковыми в различных местах площади контакта. Кроме того, растягивающее усилие не всегда прикладывается точно по оси образца. Все это вызывает наряду с отрывом появление расслаивания. Более равномерного распределения напряжений можно добиться увеличением длины цилиндрического образца и уменьшением площади склеивания, что снижает влияние расслаивания при отрыве. Методы сдвигаКасательные напряжения создают в клеевых конструкциях различными путями, например растяжением соединенных внахлестку материалов. Этим методом измеряют адгезию металлов, древесины, пластмасс, а также резины к резине и металлам. Различные схемы испытаний на сдвиг при растяжении образцов показаны на рис.9.  Рис.9. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг растягивающей нагрузкой: а – шов односторонний внахлестку; б – двусторонний внахлестку; в - односторонний внахлестку с накладкой; г - двусторонний внахлестку с накладкой; д – скошенный шов Установлено, что разрушающее напряжение не зависит от ширины образца, но линейно зависит от его длины до некоторого предела. При дальнейшем увеличении длины образца разрушающая нагрузка стремится к постоянной величине. Причина этого заключается в концентрации напряжений у концов образца, вызванной разностью деформаций склепных элементов и их изгибом. Испытание клеевых соединений на сдвиг (срез) под действием сжимающих нагрузок (рис.10) наиболее характерно для соединения материалов значительной толщины. Иногда этим методом испытывают и образцы из тонких слоев металла, но в таких случаях к ним подклеивают для устойчивости толстые деревянные бобышки.  Рис. 10. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг сжимающей нагрузкой: а – одностороннее соединение плиточных материалов; б – двустороннее соединение плиточных материалов; в, г – соединение цилиндра со стержнем Испытание на сдвиг при кручении образцов имеет перед рассмотренными методами растяжения и сжатия одно важное преимущество: при кручении возникает чистый сдвиг без отрывающего усилия. В наиболее чистом виде сдвиг реализуется при скручивании двух тонкостенных цилиндров, скленных торцами. На рис.11 приведены схемы испытаний клеевых соединений скручиванием.  Рис.11. Схемы испытаний клеевых соединений на сдвиг при кручении: а – соединение прутков встык; б – соединение труб внахлест; в – соединение прутка с трубой внахлест; г – соединение труб встык Широкое распространение получили методы измерения адгезии путем выдергивания из блока полимера введенной туда заранее нити корда, металлической проволоки или стеклянной нити. Часто таким способом определяют адгезию кордной нити и металлокорда к резине. В настоящее время наиболее распространен Н-метод (Аш-метод), названный так из-за формы образца, напоминающего букву Н (рис.12). Этот метод используют и для определения адгезии стекловолокна к связующему (рис13), а также для измерения адгезии в системе полимер-металл (рис.14).
 Рис.14. Схема измерения адгезии клея к металлам: 1 – металлическая нить; 2 – слой клея; 3 – планка с отверстием Сдвиговые усилия возникают на границе между адгезивом и субстратом и в случае деформации полимерного блока, внутри которого находится субстрат. На этом принципе основан метод измерения адгезии резины к текстилю. При испытании по методу отслоения при статическом сжатии нить корда располагают внутри образца по диаметру среднего сечения. Испытание заключается в определении усилия сжатия, при котором сдвиговые напряжения между резиной и кордом достигают величины, равной прочности связи между материалами. В тот момент, когда воронкообразное углубление, возникшее на поверхности образца при его сжатии, исчезает (рис.15) измеряют нагрузку. Момент отслоения нити определяют визуально или с помощью тензодатчиков, контролируя величину внутренних напряжений.  Рис.15. Схема измерения прочности связи резины с кордом при статическом сжатии: а – образце до испытания; б – сжатый образец; в – сжатый образец после отслоения нити Все рассмотренные методы измерения агдезии характеризуются кратковременным приложением нагрузки. Это статические методы. Но иногда проводят измерения адгезии путем приложения знакопеременных циклически изменяющихся нагрузок, ударных и длительных статических нагрузок. Практически многие методы, применяющиеся при статических кратковременных испытаниях, могут быть использованы для испытаний на длительную статическую прочность. Это относится к испытаниям клеевых соединений металлов и других материалов. Приборы для измерения адгезииНаиболее распространенным прибором для измерения адгезии являются обычные силоизмерители типа разрывных машин (динамометры). Конструкции динамометров весьма разнообразны. Наиболее часто применяются маятниковые динамометры. Они очень просты в работе, однако, им присущи некоторые недостатки: помимо громоздкости и пониженной точности из-за трения в оси маятника эти приборы отличаются инерционностью. Поэтому в некоторых случаях, например, при измерении адгезии методом отслаивания или расслаивания, инерционность силоизмерителя может вносить ошибку в показания прибора. Поэтому в настоящее время применяются безынерционные силоизмерители. Деформация упругого элемента в этих приборах измеряется с помощью электронной аппаратуры. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Цель работы: на характерных примерах полимерных композиционных материалов и с применением различных методов оценить прочность адгезионного соединения. Задание 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО ШВА МЕТОДОМ РАВНОМЕРНОГО ОТРЫВА Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца клеевого соединения встык, усилиями, направленными перпендикулярно плоскости склеивания. Порядок выполнения работы: приготовить не менее 5 образцов для испытаний. Для этого на подготовленные и обезжиренные торцевые поверхности полимера цилиндрической формы (рис.19) наносят слой клея. Диаметры склеиваемых друг с другом половин образца не должны отличаться один от другого более чем на 0,1 мм. Взаимное смещение двух половин склеенного образца не должно превышать 0,5 мм. Склеиваемые поверхности должны быть плоские и перпендикулярны продольной оси образца, а опорные поверхности головок образца должны быть параллельны склеиваемым поверхностям. Образцы помещают в приспособление (пресс), в котором создают необходимые для склеивания поверхностей давление и температуру.  Рис 19. Форма и размеры образца для определения разрушающего напряжения при равномерном отрыве  Клеевой шов  Вид полимера, марка клея и параметры склеивания выбираются по приложению 1. Одновременно готовятся образцы исходного полимера (исходных материалов, если склеиваемые поверхности различны) для испытания с другим адгезивом (по заданию преподавателя). Полученные образцы выдерживают до испытания при комнатной температуре не менее 12 ч, если время не оговорено соответствующей технической документацией, утвержденной в установленном порядке. Затем осуществляются замеры диаметра образцов с точностью до 0,1 мм и производится разрушение на разрывной машине ИР5046-5 в специальных приспособлениях при скорости нагружения 10 мм/мин. Разрушающее напряжение при равномерном отрыве определяют по формуле, МПа:  (13)где Р - разрушающая нагрузка, Н; F - площадь склеивания или площадь поперечного сечения образца, м2, вычисляемая по формуле:  (14)где d - наименьший диаметр образца, м. Предел прочности при отрыве вычисляют до третьей значащей цифры. По результатам испытаний вычисляют среднее арифметическое значение предела прочности:  (15)где п - число испытанных образцов; iотр - значения пределов прочности образцов. По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей при использовании различных адгезивов. Результаты измерений и испытания оформляются в табл.1. Таблица 1
Задание 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО ШВА МЕТОДОМ НЕРАВНОМЕРНОГО ОТРЫВА Сущность метода заключается в определении разрушающей нагрузки, приходящейся на единицу ширины образца, с которого происходит отрыв покрытия при неравномерном распределении напряжений по площади склеивания. Порядок выполнения работы: приготовить не менее 10 образцов для испытаний. Форма и размеры образца для испытания должны соответствовать указанным на рис.20. Толщина основания h должна быть не менее 10 мм. Склеивание образцов производят по методике, описанной в зада-нии 1. Одновременно готовятся образцы исходного полимера (исходных материалов, если склеиваемые поверхности различны) для испытания с другим адгезивом (по заданию преподавателя). Испытания проводят сразу после окончания технологической выдержки образцов или после хранения их при температуре 18±5°С и относительной влажности воздуха 65±10%.  Рис.20. Форма и размеры образца для испытания клеевого шва методом неравномерного отрыва: 1 – гибкий лист (облицовочный материал и т.п.); 2 - основание образца - жесткий материал (древесина и т.п.);3 2 - клеевой слой; 4 - линия для установки пуансона 3 - основание образца Перед испытанием каждый образец нумеруют. Ширину образца b у торцов основания и толщину облицовочного материала измеряют с погрешностью не более 0,1 мм. Посередине длины на боковых кромках образца проводят линию 4 (рис.20) для правильной установки пуансона. Для проведения испытания должны применяться следующие аппаратура и приборы: - испытательная машина, оснащенная реверсом, с погрешностью измерения нагрузки не более 2 Н (0,2 кгс); - приспособление для испытания (рис.21) заостренные опоры приспособления должны быть расположены в горизонтальной плоскости параллельно друг другу, допускаемое отклонение от горизонтальной плоскости 0,1/1000 мм; на непараллельность - 0,1 мм по их длине;
 Рис.21. Схема установки для испытания на неравномерный отрыв: 1 - пуансон; 2 – заостренные опоры; 3 - самоустанавливающаяся опора с цилиндрическим основанием; 4 - стержень; 5 - опора с плоским основанием; 6 - образец; 7 - винт М5 Образец устанавливают на опоры приспособления. Пуансон центрируют по линии действия нагрузки (рис.21), совпадающей с линией, отмеченной на образце. Образец нагружают с постоянной скоростью перемещения подвижного захвата машины, равной (0,4-0,5)·10-3 м/с (24-30) мм/мин. По шкале машины определяют разрушающую нагрузку Р в начальный момент отрыва гибкого материала. Прочность клеевого соединения при испытании на неравномерный отрыв (q) вычисляют с погрешностью не более 0,1 кН/м (0,1 кгс/см) по формуле:  (16)где Р - разрушающая нагрузка, кН (кгс); b - ширина образца, м (см). За результат испытания принимают среднее арифметическое значение прочности клеевого соединения всех испытанных образцов. По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей при использовании различных адгезивов (клеев). Результаты измерений и испытания оформляются в табл.2. Таблица 2
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
