СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Испытания неконструкционных клеев

При оценке пригодности клея для склеивания неметаллических материалов с металлом описанные выше испытания не всегда яв­ляются возможными или самыми лучшими. Для жестких материа лов, таких как стеклотекстолит, указанные методы вполне подходят. Однако для гибких материалов, на-пример, резины, для которых обычно применяют нссиловые клеи, требуются изменения в методах испытаний. Ниже приводятся два самых подходящих вила испыта­ний неконструкционных клеев.

Испытание на отдир по ASTM Д42-47Т-В. Полосу ре­зины или другого легкогнущегося материала шириной 25,4 мм, дли-' ной 200 мм н толщиной 6,4 мм склеивают клеем, который испыты­вается, с полосой из низкоуглеродистой стали SAE 1020 той же ши­рины и длиной около 175 мм. Затем металлическую полосу жестко крепят па опоре, связанной с одним из зажимов испытательной ма­шины, а резину вставляют в другой зажим и отдирают под утлом в 90° при постоянной скорости движения ходового зажима машины (100 мм/мин). Отрывающие усилия должны фиксироваться, лучше всего автоматически записываться «а диаграмме.

Аналогичное испытание, особенно пригодное для клеевых соеди­нений топкой фольги и материалов, обладающих нивкой прочно­стью, описано в ASTM Д903-46Т. Фольгу или другой материал от­гибают назад и отдирают іпод углом 180° со скоростью 150 мм/мин.

Испытание и а отрыв по ASTM Д429-47Т. Цилиндриче­ский образец из резины или другого материала диаметром 40,5 мм к толщиной 12,7 мм вклеен между двумя стальными (SAE 1020) пластинками такого же диаметра толщиной 9,5 мм. К двум сталь­ным пластинам с постоянной скоростью 25 мм/мин прикладывают растяшвающее усилие вплоть до разрушения.

§ 29. Испытания прочности клеевых соединений без их разрушения

Испытание клеевых соединений без разрушения имело бы огром­ную ценность для контроля качества соединений при изучении фак­торов, отрицательно влияющих на прочность соединения, и для под­бора состава клеев. Такое испытание могло бы базироваться на определении физических или химических свойств соединения и увяз - чи их с прочностью; большинство исследователей шло этим путем. Попытки вводить радиоактивные ■материалы и аналогичные методы оказались пригодными только для выявления в клеевом шве непро клея. Только при установлении свойств клея или изделия, изготов­ленного с его помощью, можно получить сведения относительно степени отверждения клея в клеевом соединении и его состояния.

Несомненно, самым удачным аіеразрушающим методом испыта­ния последнего времени является метод, разработанный в Массачу - зетском технологическом институте. Нашли, что динамический мо­дуль образцов, изготовленных склеиванием встык металлических прутков, оказывается пропорциональным прочности соединения при растяжении. Предпочтительнее применять продольные колебания ультразвуковых частот. Этот метод успешно использовался как для силовых, так и пес иловых клеев типа резиновых.

Попытки испотьзовать «диэлектрическую постоянную» (или ем­кость) таких соединений встык оказались неудачными, может быть, из-за краевого эффекта и, возможно, даже из-за влияния .малых колебаний влажности воздуха и его температуры ©о время замера, і

Научные работники фирмы Дженерэл Электрик добились неко­торого прогресса в применении метода, связанного с теплопереда чей как критерием прочности клеевого соединения. Повидимому, прочные клеевые соединения обладают несколько иной теплопровод­ностью. чем неотвердевшие или поврежденные. Однако, так же как в случае определения емкости, краевые эффекты и другие перемен­ные, вероятно, будут серьезно осложнять этот метод для любых це­лей, кроме определения непроклея.

Ученые Кэнзовского технологического института изучают факто­ры, влияющие на адгезию между материалами. Некоторые из этих факторов могут быть полезны при разработке методов неразрушаю - щих испытаний, подходящих для контроля качества. Одним ив фак­торов, уже выясненных, является электрический потенциал, возни­кающий при раздіїрании или отрыве клеевого соединения.

КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Самыми распространенными типами клеевых соединений в кон­струкции являются соединения внахлестку и встык. Характер клее­вого соединения определяется как его конфигурацией, так и родом прилагаемой к нему нагрузки.

§ 30. Соединения встык

Клеевое соединение этого вида получается при соединении тор­цевых плоскостей двух элементов. Образец на растяжение — типич ный пример соединения встык, называемого также соединением «впритык» или «вторец».

Когда такое соединению располагается плоскостью склейки пер­пендикулярно ас линии действия растягивающих или сжимающих усилий, теоретически напряжения концентрируются в той или иной мере около периферии клеевого соединения. Напряжения могут рас­пределяться однородно под нормальной нагрузкой только в двух исключительных случаях: если отношение « : Е (коэффициента Пуассона к модулю нормальной упругости) одинаково как для клея, так и склеиваемого материала и если клей имеет отношение )>. : Е, близкое к нулю.

В первом случае напряжения растяжения или сжатия вызовут одинаковые поперечные деформации в клеевом шве и в склеивае­мых материалах. Это условие было бы удовлетворено, если бы клей обладал теми же физическими; свойствами, что и склеиваемые ма­териалы. Но отношение jl : Е клея всегда значительно больше-, чем у любых склеиваемых металлов, потому что у клея - л больше, а Е меньше, чем у любого конструкционного металла. Второе условие потребовало бы использования клеевого материала с коэффициен том Пуассона, равным нулю, или с бесконечно большим модулем упругости. В этом случае клеевой слой не будет деформироваться в поперечном направлении, т. е. в плоскости оклейки, если соеди­нение подвергается растяжению или сжатию.

Таким образом, ни одно из указанных условий никогда не встре­чается на практике, - когда склеиваются металлы. Следствием этого

являются неравномерное распределение нормальных напряжений и некоторая концентрация напряжений сдвига по краям соединения на поверхности раздела металл—клей.

При определенных условиях большое значение имеет геометрия соединения встык. Это особенно справедливо, если такое соедине­ние должно во время работы подвергаться воздействию повышен­ных температур. Напряжения, возникающие вследствие различия коэффициентов термического расширении склеиваемых металличе­ских элементов и клея, сходны с напряжениями, рассмотренными выше, в том, что они локализуются около кромок клеевого шва. В клеевых соединениях встык ггрутков или дисков температурные напряжения для данного металла и клея будут тем слабее, чем меньше диаметры склеенных элементов. В результате вследствие разницы в коэффициентах термического расширения для разруше­ния клеевых стыковых соединений прутков малых диаметров по­требуется более значительное изменение внешних температур. Экс­периментально это было подтверждено в работе ЭДассачузетского технологического института для фенольно-винилового клея при склеивании алюминиевых и стальных деталей.

Если нагрузить стыковое клеевое соединение на чистое растя­жение (равномерный «чистый» отрыв), то можно получить прекрас­ные показатели прочности. Значения свыше 700 кг/см - были полу­чены при испытании эпоксидных клеов.» клеев на фенольной основе.

Определяя условия «чистого» равномерного отрыва, пренебре­гают вторичными 'напряжениями сдвига и концентрацией нормаль­ных напряжений у кромок клеевого шва, которые обусловлены раз­личием в упругих или термических константах и вскрываются анали­зом внутреннего напряженного состояния клеевого шва. Обычно исходят из элементарной картины распределения напряжений и тре­буют, чтобы при чистом отрыве к соединению не прикладывалось касательных усилий, равнодействующая растягивающих усилий про­ходила через центр тяжести площади склейки и напряжения от рас тягивающих усилий распредмялись по площади склейки равно­мерно.

Однако идеальные условия чистого отрыва в действительности редко встречаются. Бывает трудно подогнать механической обра­боткой склеиваемые части так, чтобы избежать их смещения и по­явления напряжений изгиба при нагружении. Подобные смещения могут происходить в в процессе склеивании деталей. Наконец, воз­никновение дополнительных изгибных напряжений может быть выз­вано условием приложения внешней нагрузки. Будь хоть малейшая тенденция к изгибу или отдиру, стыковое соединение резко снижает свою несущую способность. Это снижение проявляется тем слабее, чем больше площадь склейки.

Таким образом, соединения встык должны применяться только в комбинации с соединениями внахлестку или в том случае, когда должны склеиваться относительно большие поверхности. Многочис ленные применяемые практичеоки клеевые соединения металлов

имеют конфигурацию, которая представляет собой сочетание соеди­нений шіахлсстку н встык. ІІакоторьіе примеры такого рода клеевых соединений показаны на фиг. 51.

Фиг. 51. Рекомендуемые конструктивные формы клеевых соединений.