УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
DEVICE FOR EVALUATION OF PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS AND ITEMS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологической и научно-исследовательской практике для определения следующих физико-механических свойств различных материалов и изделий:
- адгезионной прочности на сдвиг клеевых соединений и покрытий в зависимости от нормальной нагрузки (усилия прижатия);
- стойкости уплотнительных покрытий из материалов малой прочности (например, резины, полимеров и т.п.) в открытых уплотнениях путем определения критического давления в них.
Определение вышеуказанных свойств необходимо для оценки надежности клеевых соединений и покрытий, а также уплотнений из материалов малой прочности, используемых в различных соединениях, в частности в соединениях пневмо- и гидросистем ракетно-космической техники.
Известны устройства и способы для определения адгезионной прочности на сдвиг клеевых соединений и покрытий путем измерения тангенциально приложенных сил, разрушающих эти соединения, описанные в стандартах и технической литературе:
- А.С.Фрейдин. Прочность и долговечность клеевых соединений. - М.: Химия, 1981, с.116;
- ГОСТ 14759-69;
- А.А.Берлин, В.Е.Басин. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1974, гл. 5, с.222;
- В.М.Шиманский, А.С.Наумов, Р.Д.Семчук. Приспособление для определения адгезии полимерных покрытий методом среза. В кн.: Машины и приборы для испытаний материалов (сб. статей журнала «Заводская лаборатория»). - М.: «Металлургия», с.70.;
- В.В.Лаврентьев, Г.Е.Лазарев, А.И.Серебренников. В кн.: Машины и приборы для испытания металлов. - М.: Металлургия, 1968, с.105;
- ГОСТ 20182-74.
Недостатком этих устройств и способов является отсутствие возможности определять адгезионную прочность на сдвиг клеевых соединений или покрытий в зависимости от нормальной нагрузки.
Известен способ определения стойкости прокладок из материалов малой прочности в открытых уплотнениях путем расчета критического давления для этих материалов [Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А.Кондаков и др. - 2-е. - М.: Машиностроение, 1994, с.124]. Недостатком этого способа является невозможность определения стойкости уплотнительных покрытий из материалов малой прочности, так как для этого необходимо определение адгезионной прочности на сдвиг покрытий в зависимости от нормальной нагрузки.
Способ, осуществляемый с помощью предлагаемого устройства, отличается тем, что адгезионная прочность на сдвиг определяется в зависимости от нормальной нагрузки, а определение стойкости уплотнений из материалов малой прочности дополнительно включает в себя определение стойкости уплотняющих покрытий из материалов малой прочности. При этом:
с
- определение адгезионной прочности на сдвиг клеевых соединений или покрытий в зависимости от нормальной нагрузки заключается в том, что предварительно определяют известным способом силу трения покоя образца клеевого соединения или покрытия, затем с помощью предлагаемого устройства определяют силу страгивания образца клеевого соединения или покрытия, с последующим расчетом адгезионной прочности σ по формуле:
T
где F - сила страгивания образца клеевого соединения или покрытия;
n
F - сила трения покоя образца исследуемого материала;
k
S - контактная площадь образца соответственно образца клеевого соединения или образца покрытия;
кр
- определение стойкости уплотнительного покрытия из материала малой прочности в изделии (детали) заключается в том, что предварительно определяют силу страгивания образца с покрытием, затем рассчитывают критическое давление Р по формуле:
T
где F - сила страгивания образца с покрытием;
n
S - контактная площадь покрытия в изделии (детали);
k
S - контактная площадь образца покрытия;
в
S - площадь внутренней боковой поверхности дорожки покрытия в изделии (детали).
Предлагаемое устройство для определения физико-механических свойств материалов и изделий состоит из корпуса, установленного на опоре неподвижной траверсы силоизмерительного устройства разрывной машины; оси, закрепленной в корпусе; образца для определения силы трения покоя исследуемых материалов, включающего две неподвижные относительно вертикального перемещения детали из этих материалов, закрепленные на вышеупомянутой оси, и расположенную между ними подвижную деталь, на обеих сторонах одного из концов которой закреплены пластины из исследуемого материала или нанесено исследуемое покрытие, а другой конец этой детали предназначен для закрепления в захватах подвижной траверсы силоизмерительного устройства разрывной машины; механизма нормального нагружения образцов, состоящего из болта и проставки, закрепленной на вышеупомянутой оси, отличается тем, что оно дополнительно снабжено образцом для определения силы страгивания клеевого соединения или покрытия, включающим две неподвижные относительно вертикального перемещения детали из исследуемого материала, предназначенные для закрепления на вышеупомянутой оси, и подвижную деталь из того же материала, которая предназначена для закрепления в захватах подвижной траверсы силоизмерительного устройства разрывной машины, между подвижной деталью и одной из неподвижных деталей расположен исследуемый клеевой шов или покрытие, с противоположной от клеевого шва или покрытия стороны подвижной детали закреплена пластина из исследуемого материала или нанесено исследуемое покрытие, контактирующее со второй неподвижной деталью.
Схема устройства приведена на фиг.1, где 1, 2, 3, 4, 5 - детали образцов исследуемых материалов; 6 - проставка; 7 - болт; 8 - ось; 9 - корпус; 10 - шплинт; 11 - опора неподвижной траверсы силоизмерительного устройства разрывной машины. Детали 1, 2 и проставка 6 закреплены на оси 8 с возможностью свободного перемещения вдоль нее при действии механизма нагружения.
Типы образцов приведены на фиг.2, где 1, 2, 3, 4, 5 - детали образцов, представляющие собой пластины одинаковой ширины. Детали 1 и 2 имеют одинаковую длину и изготовляются из одного и того же исследуемого материала. Детали 3 и 4 также имеют одинаковую длину, но меньшую, чем длина деталей 1 и 2. Площадь деталей 3 и 4 по длине и ширине соответствует контактной площади образцов (далее - контактной площади). Деталь 5 имеет длину, большую, чем длина детали 1 и 2, на величину, достаточную для закрепления в захватах подвижной траверсы силоизмерительного устройства разрывной машины.
Образец типа «1а» предназначен для определения силы трения покоя исследуемых материалов, где 1 и 2 представляют собой неподвижные относительно вертикального перемещения детали из исследуемого материала, предназначенные для закрепления на оси 8, деталь 5 представляет собой пластину, на обеих сторонах которой закреплены пластины 3 и 4 из исследуемого материала, либо нанесено исследуемое покрытие. В случае, когда детали 3 и 4 изготовлены из материала малой прочности, либо представляют собой покрытия из этих материалов, то образец типа «1а» используется так же для определения стойкости прокладок из этих материалов в открытых уплотнениях. Контактные поверхности образцов 1 и 2 в этом случае будут играть роль уплотнительных поверхностей. Сила сцепления деталей 3 и 4 в месте их закрепления на детали 5 или адгезионная прочность покрытий должны быть больше силы трения покоя между деталями 1 и 3 и между деталями 2 и 4.
Образец типа «2б» предназначен для определения с помощью предлагаемого устройства силы страгивания клеевого соединения или покрытия, где 1 и 2 - неподвижные относительно вертикального перемещения детали из исследуемого материала, предназначенные для закрепления на оси 8, 5 - подвижная деталь из того же материала, между деталями 1 и 5 расположен клеевой шов 3, либо нанесено покрытие, а с противоположной от клеевого шва или покрытия стороны детали 5 закреплена пластина или нанесено покрытие из материала, сила трения покоя которого определена ранее. В случае, когда детали 3 и 4 представляют собой покрытие из материала малой прочности и покрытие 3 нанесено одновременно на деталь 1 и деталь 5, образец типа «2б» используется так же для определения стойкости уплотнительных покрытий из этих материалов. Детали 1, 2, и 5 в этом случае изготавливают из исследуемых материалов.
Создание нормального усилия, прижимающего образцы, осуществляется через болт 7, проставку 6 динамометрическим (моментным) ключом.
Устройство работает следующим образом:
- образец типа «1а» или «1б» устанавливают в устройство согласно схеме на фиг.1;
- устанавливают необходимую нормальную нагрузку;
- деталь 5 закрепляют в захватах силоизмерительного устройства;
- включают силоизмерительное устройство и определяют максимальное усилие до начала движения детали 5.
Пример
c
С помощью предлагаемого устройства определялась адгезионная прочность σ на сдвиг покрытия фторопластом-4МБ в зависимости от нормальной нагрузки и определялась стойкость уплотнительного покрытия фторопластом-4МБ в уплотнении путем определения критического давления.
Исходные данные:
n
k
2
- S=S=90 мм;
в
2
- внутренняя боковая поверхность уплотнительного покрытия S=11,61 мм;
- исследуемый материал, материал покрываемой и уплотняемой поверхностей - сталь 12Х18Н10Т;
a
- нормальное усилие (усилие прижатия) F равно 0; 1243; 1957; 3221; 5214; 7750 H.
Результаты определения адгезионной прочности покрытия в зависимости от нормальной нагрузки и определения стойкости уплотняющего покрытия приведены в таблице.
F<sub>a</sub>, H
σ<sub>c</sub>, МПа
P<sub>кр</sub>, МПа
0
15,8
-
1243
21,2
179,6
1957
27
233
3221
34,6
307,4
5214
43
401,4
7750
53,2
504
Таким образом, применение предлагаемых устройства и способа позволяет определять адгезионную прочность клеевых соединений и покрытий в зависимости от нормальной нагрузки, а также определять стойкость уплотнительных покрытий из материалов малой прочности и, тем самым, оценить надежность различных соединении, в частности соединений пневмо- и гидросистем ракетно-космической техники.