ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 620.17
Ю.К. МАШКОВ,
доктор технических наук, профессор;
О.А. МАМАЕВ,
кандидат технических наук, доцент;
М.Ю. БАЙБАРАЦКАЯ,
кандидат технических наук, профессор
ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
В условиях эксплуатации детали машин испытывают значительные статические и динамические нагрузки, при этом их состояние определяется как неравновесное напряженно-деформированное. Это в полной мере относится к деталям МГКМ. При этом напряженно-деформированное состояние (НДС) не остается постоянным вследствие диссипации внутренней энергии и процессов релаксации. Рассматривая релаксационные процессы в полимерных системах как процессы перехода системы из некоторого неравновесного состояния в другое более близкое к равновесному, следует иметь в виду своеобразие релаксационных свойств полимеров, которое влияет на их структуру и свойства.
Характеры релаксационных процессов при статическом и динамическом нагружении существенно различаются. Так при динамическом нагружении полимеров в высокоэластическом состояний в течение первых двух часов нагружения, степень релаксации повышается в разы [1,2].
Сказанное объясняет актуальность задачи исследования релаксационных процессов в полимерных и полимерных композиционных материалах (ПКМ), находящихся в условиях НДС при различных температурах характерных для элементов конструкции ходовой части МГКМ.
Исследование процессов релаксации ПКМ проводили в два этапа на металлополимерных образцах, состоящих из металлических стальных деталей-оправок и разрезных втулок и полимерных втулок. Втулки изготавливали из ПКМ на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), включающего в качестве наполнителей-модификаторов: измельченное углеродное волокно УРАЛ-Т10 (6,0 % (мас.)); высокодисперсный порошок скрытокристаллического графита СКГ (8,0 % (мае.)) и дисперсный порошок дисульфида молибдена MoS7 (2,0 % (мас.)). Технология холодного прессования и свободного спекания описана в ряде работ [2,3].
На первом этапе характер и степень релаксации НДС оценивали по прочности металлополимерного соединения цилиндрической формы на металлополимерных образцах.
Прочность соединения оценивали по величине напряжения сдвига р, которое рассчитывали по формуле:
p = Fp/S (1)
где Fp - усилие, приложенное к металлическим цилиндрам и момент сдвига одного из цилиндров относительно полимерной втулки, установленной с заданным натягом 20-40 %; S - площадь контакта одного из цилиндров с полимерной втулкой.
Образцы испытывали на разрывной машине при скорости движения подвижного зажима 1,7 - 10 -4 м • с -1. По результатам испытания пяти образцов определяли среднее значение усилия в момент начала движения одного из цилиндров относительно втулки и рассчитывали величину напряжения по формуле (1).
Исследование зависимости прочности металлополимерного соединения проводили путем длительной выдержки образцов при постоянной повышенной температуре 60-70 °С и при температуре 20-25 °С с последующим их испытанием. Максимальная продолжительность выдержки образцов при повышенной температуре составляла 24 ч, а при комнатной -100 сут или 2400 ч. Перед началом выдержки в обеих сериях испытывали эталонные образцы. На втором этапе для исследования процесса релаксации была разработана конструкция металлополимерного образца, состоящего из стальной разрезной втулки, на которую с большим натягом устанавливалась полимерная втулка.
Стальная втулка изготавливалась из пружинной стали 65Г и термообрабатывалась до твердости HRC 35-40. Полимерная втулка изготавливалась из исследуемого композиционного материала. Внутренний диаметр втулки задавался из условия обеспечения 30 % по диаметру D1' толщина стенки определялась из условия необходимой деформации разрезной втулки с уменьшением ширины паза на 3,5 - 3,8 мм при установке полимерной втулки.
При хранении этой системы вследствие релаксации внутренних напряжении в полимерной втулке равновесие системы нарушается, полимерная втулка начинает деформироваться и, как следствие, ширина паза в стальной втулке увеличивается. Поскольку интенсивность процесса релаксации в металлических материалах на несколько порядков ниже, чем в полимерных, то можно считать, что увеличение ширины паза является следствием релаксации только в полимерной втулке. Величина изменения ширины паза принимается за характеристику процесса релаксации.
Согласно методике исследования изготавливали три образца. Втулки устанавливали с натягом 20, 30 и 40 %.
Образцы хранили при комнатной температуре в течение 70 сут. В первый период времени измерения производили микрометром после 1, 3, 7 и 14 сут, далее - ежедневно с помощью электронной измерительной системы. Результаты измерений обрабатывали и по средним значениям строили зависимости ε=f(t)
Изучали процессы релаксации по изменению прочности металлополимерного соединения. По результатам испытаний при повышенной температуре получена зависимость р = f (τ) (рис. 1).
Экспериментальная зависимость имеет максимум при 3 ч выдержки, затем идет резкий спад в интервале 3 - 6 ч, и далее наблюдается медленное снижение прочности соединения. Такой характер зависимости можно объяснить тем, что в течение первых трех часов активно развиваются процессы формирования и усиления адгезионных связей металл-полимер и заполнения микровпадин на поверхности металлических оправок вследствие течения полимерной матрицы ПКМ в напряженно-деформированном состоянии при повышенной температуре. В течение первых часов выдержки эти процессы в основном завершаются, но активизируется процесс релаксации, что проявляется в резком снижении прочности соединения вследствие уменьшения контактных напряжений между полимерной втулкой и металлической оправкой. После 6 - 8 ч выдержки интенсивность процесса релаксации существенно снижается.
Развитие процесса релаксации при комнатной температуре исследовали испытанием образцов, выдержанных в течение 1,3, 10, 20, 40, 70 и 100 сут. Результаты измерения прочности соединения показывают, что зависимость прочности соединения от продолжительности выдержки образцов при комнатной температуре, также как и при повышенной температуре, имеет экстремальный характер и достигает максимума при выдержке, равной 3 сут (72 ч).
Сравнение зависимостей прочности металлополимерного соединения от продолжительности выдержки образцов в различных температурно-временных условиях (см. рис. 1) показывает, что они имеют общий характер. На всех зависимостях максимум исследуемого параметра наблюдается при некоторых значениях времени выдержки с последующим его монотонным снижением при уменьшающейся скорости снижения. Это свидетельствует о том, что независимо от температурных условий прочность металлополимерного соединения определяется, главным образом, характером процессов релаксации в напряженно-деформированном ПКМ. Существенное влияние на интенсивность процессов оказывает температура окружающей среды: при повышении температуры на 40°С интенсивность процессов, оцениваемая по прочности металлополимерного соединения, возрастает примерно в 180 раз.
Проведенный анализ временных зависимостей прочности соединений, образованных установкой полимерных облицовочных втулок на металлический стержень с натягом, позволяет предложить приведенное выше описание в качестве механизма формирования длительной прочности металлополимерных соединений и составляет второй этап настоящего исследования.
Исследование длительной прочности металлополимерного соединения «полимерная втулка- металлический стержень» показало, что она зависит, главным образом, от характера процесса релаксации в напряженно-деформированном состоянии полимерной втулки.
Поэтому исследование релаксации и изучение закономерностей этого процесса являются наиболее важными задачами в разработке методов проектирования металлополимерных соединений.
Образцы для исследования процесса релаксации в соответствии с методикой изготавливали в виде разрезных втулок из закаленной углеродистой стали, на которые с заданным натягом устанавливали втулки из исследуемого ПКМ. Полимерные втулки изготавливали с внутренними диаметрами 24, 21 и 18 мм и толщиной стенки 6-8 мм, обеспечивая натяг в 20, 30 и 40 %. После установки втулок на пружинные кольца их термообрабатывали нагревом до 150 °С и контролировали диаметры колец и втулок.
При установке полимерных втулок на разрезные кольца последние сжимались под действием сил деформации, и ширина паза уменьшалась до величины 0,1 - 0.3 мм. В результате проточки полимерных втулок и уменьшения толщины стенки силы, сжимающие разрезное кольцо, уменьшились, и оно вновь расширилось до положения, в котором силы сжатия от деформированной полимерной втулки снова уравновешивались силами упругой деформации стального кольца.
В этом состоянии равновесия фиксируются контролируемые параметры (диаметры колец и втулок). Они приняты за начало отсчета в исследовании процесса релаксации. Согласно методике исследования, образцы выдерживались при комнатной температуре.
Временные зависимости относительной деформации исследованных образцов, описанные выражением (2) могут быть использованы для прогноза деформации полимерных втулок в условиях длительного нагружения при растягивающих напряжениях.
С учетом процессов релаксации ПКМ в напряжено-деформированном состоянии разработан ряд металлополимерных герметизирующих устройств для поршневых компрессоров ходовой части гусеничных и колесных машин [5].
Выводы. Комплексное исследование процессов релаксации и деформации металлополимерных образцов в условиях растягивающих напряжений показало, что ПКМ на основе ПТФЭ имеет невысокий уровень относительной деформации ~1 % за 70 сут наблюдения, при этом скорость процесса снижается - в 15 раз, а прочность металлополимерного соединения уменьшается только на 30 %. Следовательно, модифицированный комплексным наполнителем ПКМ обладает достаточно стабильными временными характеристиками механических свойств.
Это позволяет прогнозировать работоспособность металлополимерных соединений исследованного типа условиях длительной эксплуатации с учетом процессов релаксации в напряженно-деформированном состоянии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л., Цирулс К. И. Свойства полимеров и в различных напряженных состояниях М Химия 1981. 232 с
2. Машков Ю. К., Овчар 3. П., Байбарацкая М. Ю., Мамаев О. А. Полимерные композиционные материалы в триботехнике М: Недра. 2004 262 с.
3. Машков Ю. К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта Омск. Изд-во ОмГТУ. 1997. 192 с.
4. Машков Ю. К., Зябликов В. С, Мамаев О. А., Липина Н. А. Новые технологии и конструкция полимерных поршневых уплотнении малогабаритных компрессоров //; Сб. науч тр. Динамика систем механизмов и машин. Омск. ОмГТУ. 2002. Кн. 2. С. 124-126.
5. Машков Ю. К., Леонтьев А. Н., Мамаев О. А., Аппинг Г. А. Повышение износостойкости и долговечности уплотнении ходовой части гусеничных и колесных машин // Омский научный вестник 2001. Вып. 14. С. 99-101.
