СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Испытания конструкционных клеев для склеивания металла с металлом

Поскольку необходимы данные по свойствам только клея, то для изготовления клееных образцов для испытания используют исклю­чительно плакированный листовой дуралюмин 24ST3 толщиной

1,6 мм. Образцы изготовляют с нахлесткой в 12,7 мм для всех ис­пытаний, кроме усталостных, — нахлестка в 9,5 мм и ударных, где используются блочные образцы Образцы желательно вырезать из большой панели, чтобы полечить по крайней мере несколько образ­цов шириной 25,4 мм. Обычно края панели (10—15 мм с каждой сюроны) обрезаются.

Перед испытанием необходимо замерить и записать толщину клеевого слоя. Эта толщина определяется как разница между тол­щиной образца или детали в месте склейки и общей толщиной двух соединяемых металлических пластин.

После испытания. следует осмотреть образцы и записать харак­тер разрушения. Разрушение может произойти или по металлу или по клеевому соединению. Если разрушение произошло по клеевому соединению, то оно может быть или когезионным, т. е. внутри клее­вого слоя, или адгезионным -— на поверхности раздела клей ме­талл. Следует отметить, не было ли явно недостаточного контакта между склеиваемыми элементами. Относительная величина этого дефекта — непроклей — в процентах от общей площади оклеивания может иметь большое значение, се также следует зафиксировать.

Детали методики испытания и прочностные требования к клеям могут быть различными. Тем не менее испытания и условия их про­ведения, рассматриваемые ниже, являются типичными и их следует придерживаться.

Нагревательная камера или печь должна поддерживать требуе­мую температуру образцов, испытываемых при температурах выше комнатной. Для испытания при температуре, например, —55° обра­зец обычно помещают в холодильник с сухим льдом, снабженный устройством для регулировки циркуляции воздуха и температуры. Для испытания при температуре —185° в качестве хладоагента ис­пользуют жидкий азот.

Испытания на сдвиг

Образец помещают в зажимное устройство испытательной ма­шины так, что концы зажимных губок находятся приблизительно на расстоянии 50 мм от каждой кромки нахлестки, и закрепляют не­подвижно. Растягивающую нагрузку прикладывают с равномерной скоростью, так чтобы вызываемое в соединении напряжение сдвига возрастало па 85—100 кг/см - в минуту. Для стандартных образцов с нахлесткой в 12,7 мм это соответствует увеличению нагрузки на 27—32 кг в минуту. Разрушающее усилие фиксируется. Такое ис­пытание проводят при различных температурах.

По военным спецификациям США, действующим в настоящее время, требуется проведение испытаний клеев на сдвиг при темпе­ратурах ■—55+0,6°, 23+0,6° и 82+0,6°. Однако в случаях специаль­ного назначения нужно учитывать температуры за пределами этого диапазона. Когда проводят испытания при очень низкой темпера­туре, например, при —185°, или при повышенных температурах — 260°, то обычно выдерживают образец в течение 15—30 мин. при температуре испытания перед приложением нагрузки.

Согласно действующим в данное время военным техническим условиям (табл. 7) клей должен обладать следующей прочностью на сдвиг:

Эти значении относятся к средним результатам для испытанных об­разцов.

С таким же успехом можно предъявить следующие требования к прочности клеевых соединений при крайних (экстремальных) тем­пературах:

—185° не менее..................................................... 84,5. кг/см2

260" , . 70,3 ,

Усталостные испытания

Согласно существующим техническим условиям испытания об­разцов клеевых соединений на усталость проводятся только при комнатной температуре 23+0,6°. Если требуются данные при дру­гих температурах, то испытания соответствующим образом моди­фицируются.

Циклические осевые растягивающие усилия, вызывающие в клее­вом соединении внахлестку ■напряжение сдвига, прикладывают к образцу с частотой не свыше 3600 циклов в минуту. За у» и мы испы­тательной машины должны захватывать образец примерно на рас­стоянии 25 мм от краев нахлестки и жестко закреплять его.

Минимальная прочность по действующим военным специфика­циям США (табл. 7) составляет 45,6 кг/см - на базе 10 • 10в циклов при 23й. Если один из трех испыта«ных образцов не удовлетворяет этому условию, то испытывают еще три образца. Если какой-нибудь из них разрушится при заданном напряжении раньше срока, то этот гелей считается непригодным для применения в авиационных конструкциях.

Испытания на длительную прочность и ползучесть

Образцы с клеевым соединением нагружают на сдвиг при рас­тяжении постоянной нагрузкой и выдерживают в напряженном со­стоянии вплоть до разрушения или до тех пор, пока не истечет 200 час. Деформацию образца шд нагрузкой 'в области нахлестки, т. е. ползучесть, замеряют и записывают через определенные про­межутки времени.

Испытания на изгиб

Образец внахлестку с длиной нахлестки 12,7 мм кладут на две опоры, отстоящие одна от другой :на расстоянии 38 мм, и нагру­жают по середине длины. Площадь оклеивания цонтрируют отно­сительно нажимного клина, для чего обычно прочерчивают лииию через ширину образца в центре нахлестки. Нажимной клин—->нож - и опоры скругляют по радиусу 3—6 мм. Скорость нагружения

90,6 кг в минуту. Прочность на изгиб характеризуется нагрузкой в кг, требующейся для разрушения стандартного образца.

Согласно требованиям Военно-воздушных сил США разрушаю­щая нагрузка должна быть не менее 68 кг при испытаниях на изгиб при температуре 23,1+0,6°. Одна фирма, выпускающая изделия для работы при повышенных температурах (до 260 ), требует, чтобы клей выдерживал минимум 45,4 кг при испытании в условиях тем­ператур как 23+0,6°, так и 260+5,6°.

Испытания на удар

Прочность «а удар клеевого соединения характеризуется мини­мальной силой, требующейся для разрушения при сдвиге клеевого соединения образца с одного удара К

Применяемые испытательные. машины (копры) обычно состоят в основном из зажимного устройства для жесткого закрепления об­разца, маятника с бойко , имеющим плоскую ударяющую поверх­ность, и дуговой шкалы с указательной стрелкой. Скорость движе­ния головки маятника в момент соприкосновения с образцом чаще всего составляет 3,3 м/сек. Ударная прочность данного образца подсчитывается как энергия в кгем, затраченная при однократном ударе па разрушение клеевого соединения при сдвиге, разделенная на площадь соединения в см2. Энергия, израсходованная >на разру­шение образца,— это разность между начальным запасом работы маятника и запасом работы, остающимся у маятника после испы­тания образца. В случае необходимости делаются соответствую щие поправки на трение в опорах п сопротивление воздуха.

Спецификация американских Военно-воздушных сил Мил-А-8331 (июнь 1953 г.) не содержит требований к ударной прочности клее­вых соединений. О шако другие спецификации включают такие испытания. При оценке пригодности кпея для авиационных кон­струкций в спецификации Военно-воздушных сил 14164 (в-настоя­щее время замененная спецификацией Мил-А-8331) предъявлялись

следующие требования в отношении прочности на удар клеевого со­единения:

Внесение изменений в форму образца или методику испытании, можно полагать, даст совершенно другие результаты. Стандарт ASTM Д950-47Т регламентирует образец в форме металлической бо­бышки длиной 25,4, шириной 25,4 и толщиной 9,5 мм, приклеенной к металлической призме длиной 44,4, шириной 25,4 и толщиной 19,1 мм. Торец бобышки подгоняется заподлицо с торцем призмы, таким образом образуется клеевое соединение площадью

6,4 см2.

Испытания с т о й - к о с т и в различных жидких

средах

Стандартные образцы клеевых соединений внахлестку испыты­вают на статическии сдвиг при температуре 23+0,6° «после выдерж ки в одной из следующих сред:

1) водный раствор поваренной соли (опрыскивание)—30 су-

ток;

2) погружение в водопроводную воду - 30 суток;

3) погружение в жидкость для системы охлаждения (этилен гликоль) — 7 суток;

4) погружение в противообледенительпую жидкость — 7 су­ток;

5) погружение в жидкую смесь для гидросистем — 7 суток;

6) погружение в углеводородное горючее ■— 7 суток.

Требования к прочности на сдвиг после каждой такой выдерж­ки минимум 140 кг/см2.

Во многих случаях образцы выдерживают в других условиях. Практикуется, например, погружение на 7 суток в жидкое топливо для реактивного двигателя (JP-4), кипячение в воде в течение 2 час., погружение на 10 мпн. в горячий очистительный раствор бихромата и серной кислоты или погружение «а 2 часа в ацетон. В качестве примера в табл. 31 приведены данные, характеризующие стойкость клеевых соединений на клее аральдит к действию неко­торых растворителей. Если клей предназначается для использова­ния в изделиях, где от клеевых соединений тре-буется высокая проч­ность при повышенной температуре (до 260°), то у обраацов, под­вергнуть^ выдержке в той или иной жидкости, часто необходимо определить прочность при сдвиге в условиях именно этих повышен­ных температур.

Стойкость клеевых соединений на клее аральдит против действия растворителей[10]

Другие вилы испытаний

Испытание клеевых соединений на отдираннс в настоящее время рассматривается как дополнительный способ оценки клеев, полу­чивший широкое признание. В осноеном он заключается в отрыве тонкого алюминиевого листа от более толстого, к которому он был приклеен. На основании собственного опыта автор считает, что под­линная ценность такого испытания состоит в применимости его для контроля производственных операций — обеспечение надлежащей подготовки поверхности склеиваемых металлов и удовлетворитель­ного отверждения клея в соединении.

Несомненно, прочность на изгиб дает более надежное определе­нию так называемой «гибкости» .клея. Прочность па отдир иыра - жастся силой, измеренной в кг, требующейся для раздирания опи­санного образца по склейке. Небольшие изменения в склеиваемых металлах (по толщине, величине предела текучести, состоянию по­верхности и т. п.) и в толщине клеевого слоя вызовут большие колебания в прочности на отдир. Плохую подготовку поверхности легко заметить, но, если такое испытание проводится для оценки «лея, оно имеет малую ценность. Кроме того, отрывающие усилия имеют относительно низкие значения (10—30 кг), следовательно, трудно добиться высокой точности эксперимента 1.

Практикуются также испытания на срез при сжатии массивных блочных образцов, на растяжение (равномерный отрыв) и на сдвиг яри растяжении образцов соединений с двойной нахлесткой. Испы­тания соединений с двойной нахлесткой делаются для того, чтобы сгладить трудности, связанные с центрированием приложенных уси­лий, и свести до минимума побочные отрывающие напряжения у концов нахлестки.

Некоторые фирмы, особенно то, которые прежде работа ли с клеями дчя древесины, предпочитают применять образцы в виде алюминиевых блоков толщиной 6 3 мм, склеенных между собой по площади 12,9 «г2. Надрезы глубиной 6,3 мм делают на двух проти­воположных сторонах образца таким образом, что получается сплошная площадь склейки 38,1 мм длиной и 50,8 мм шириной. Затем прикладывают растягивающую нагрузку со скоростью 360 кг в минуту (70,3 кг/см2) до тех пор, пока внутри соединения не про­изойдет разрушение от сдвига. Видоизменение этого метода заклю­чается в приготовлении образца из склеенных тонких металлических полос, .к каждой из которых приклеивают толстые деревянные бло­ки, после чего проводят обычное испытание па срез.

Показатели прочности клеев при растяжении (равномерный от­рыв) обычно устанавливают приложением растягивающей силы *к дискам или' брускам, склеенным встык. Значения пределов прочно сти при отрыве [11] обычно получаются выше значений предела проч­ности при сдвиге. Нередко предел. прочности при отрыве составляет величину порядка 700 кг/см-. Факторы, оказывающие влияние на предел прочности при отрыве, большей частью те же, что и дей­ствующие на прочность при сдвиге. Соблюдение жестких требова­ний к точности изготовления образцов и центрирование. их при ис­пытании на отрыв особенно важно, чтобы не допустить возникнове­ния побочных крутящих моментов, а также изгибающих или отры­вающих сил во Бремя нагружения. В конструкциях редко применя­ются соединения встык, разве только в сочетании с соединениями внахлестку. Следовательно, для оценки клеев испытания на елвнг значительно более практичны, чем испытания на отрыв

Когда оценивается клей для склеивания .металла с неметалличе­скими материалами, например, деревом, пластиками, резиной, стек­лом и т. п., в описанные выше испытания нужно внести очень не­большие изменения. Если исследуют клей для соединения необыч­ной конструкции, то можно провести соответствующие специальные испытания. Однако чаще всего это не является необходимым, если имеются все другие прочностные данные. Подобные испытания нуж­ны в тех случаях, когда изучают влияние типа соединения или раз - "шчных конструктивных параметров (длина нахлестки и др.) на его прочность.