СТОЙКОСТЬ РЕЗИН К ВОЗДЕЙСТВИЮ АТМОСФЕРЫ, АГРЕССИВНЫХ СРЕД, РАДИАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

 

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других мате­риалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку — главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение дости­гает 1000 %), которые почти полностью обратимы. При нормаль­ной температуре резина находится в высокоэластическом состоя­нии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 1—10 МПа, т. е. он в ты­сячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инже­нерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона 0,4—0,5, тогда как для металла эта величина составляет 0,25—0,30. Другой особенностью резины как технического мате­риала является релаксационный характер деформации. При нор­мальной температуре время релаксации может составлять 10^-4 с и более. При работе резины в условиях многократных механиче­ских напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом каучуке и между молеку­лами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При экс­плуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепрони­цаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ

Метод фотоупругости основан на исследовании не самих деталей, а моделей, изготовленных из прозрачной резины. Ис­следуемые модели представляют собой пластины, имеющие кон­фигурацию сечения детали и нагруженные силами, подобными действующим в этом сечении детали. Исследования проводят­ся в поляризованном свете. В результате двойного лучепре­ломления в напряженной модели на экране получают две си­стемы линий:

изохромы или полосы — линии одинаковых разностей глав­ных напряжений

s1 — s2 = 2tmax = const

изоклины — линии одинакового наклона главных напря­жений

w = const;

В монохроматическом свете обе системы полос черные и от­четливо видны изохромы высокого порядка. В экспериментах были получены полосы 70-го порядка, т. е., учитывая размеры моделей, до 5 полос на 1 мм.

В белом свете практически видны 4—5 порядков полос, но эти полосы красочные и четко обозначают области малых на­пряжений.

Поля изоклин и изохром — основной экспериментальный ма­териал, обработка которого дает возможность определить на­пряженное состояние в каждой точке модели или построить эпюры напряжений по любому его сечению. Пересчет напряже­ний для детали производится точно для плоских моделей и с некоторым приближением для объемных.

Метод фотоупругости помогает конструкторам в создании легкой и прочной детали. Прочность материала определяется удельным усилием, которое он может воспринять без разруше­ния при равномерном распределении напряжений. Однако в де­талях, имеющих сложную конфигурацию, напряжения распре­деляются неравномерно. Возникают области концентрации на­пряжений, и деталь может разрушиться до того, как среднее

напряжение достигнет опасного значения. Для расчета поль­зуются либо системой допускаемых напряжений, полученных экспериментально для данных изученных объектов с различ­ными коэффициентами формы, либо величиной предельной на­грузки, определяемой нагружением детали до разрушения. Эти методы верны, но громоздки и не вскрывают причины разрушения.

Если бы были известны характер распределения напряжений в "детали и комбинация напряжений в данной точке, являющая­ся разрушающей, то не надо было бы применять коэффициенты формы,

Метод фотоупругости решает первую из этих задач, т. е. дает возможность определить характер распределения напряжений в детали. Вторая задача пока не решена. Однако проведенные эксперименты показывают, что на свободном контуре разруше­ние происходит в областях наибольших растягивающих напря­жений. Более того, во внутренних областях, в которых происхо­дит разрушение, растягивающие напряжения также имеют наи­большие значения.

Проследим на примере двух деталей, как решается задача фотоупругости и как определяется напряжение в детали.

Уплотнительное кольцо круглого сечения, выдавливаемое в зазор. Если радиус кольца много больше радиуса сечения, то напряженное состояние плоскоде­формированное.

Моделью уплотнительного кольца круглого сечения является круглый диск, нагруженный по диаметру плоскими плитками. Для сохранения плоской формы диск помещают между двумя жесткими прозрачными пластинами.

При выдавливании диска в зазор, на свободном контуре воз­никают растягивающие напряжения. Картина полос показана на рис. 1.

При конечных деформациях основной закон фотоупругости имеет вид :

h . ( s 1 - s 2 ) = h s ^h _o. m = s _o ^1,0 . m

где h— толщина модели в данной точке;

s 1 - s 2 — разность главных напряжений;

s ^h _o — цена полосы материала толщиной h;

h s ^h _o = s _o ^1,0 —величина, постоянная для данного материала;

m—порядок полосы в данной точке.

Вдоль каждой полосы (m = const) разность главных усилий h.(s1 - s2) —постоянна. Порядок полосы m отсчитывается от ну­левых точек, т. е. точек, в которых m==0.

На свободном контуре АВ главные напряжения, нормальные контуру, равны нулю. Главные напряжения, параллельные контуру, являются растягивающими. Величина этих напряжений на контуре определяется из картины полос:

s = s ^h _o . m

Наибольших значений растягивающие напряжения достигают на краях свободного контура в точках А и В. При дальнейшем нагружении разрушение произошло в одном случае на нижнем крае в точке А (рис. 2, а), а в другом—на верхнем крае сво­бодного контура в точке В (рис. 2,б). Касательные напряже­ния достигают наибольших значений в точке М (см. рис. 1) и могут вызвать разрушение в этой области модели.

 

Рис.1 Картина полос в диске, выдавленном в зазор:

А и В – точки максимальных растягивающих напряжений на свободном контуре; О – нулевые точки; М – точки максимального касательного напряжения.

 

 

Рис. 2. Разрушение диска, выдавленного в зазор:

а - разрушение в точке А; б – разрушение в точке В.

Пластинчатый амортизатор, работающий на сдвиг. Казалось, что можно так расположить сечение аморти­затора, чтобы длина свободного контура уменьшалась, т. е. на контуре не было растягивающих напряжений.

Для проверки к двум параллельным жестким планкам АА и ВВ приклеивали три резиновые пластины (рис. 3,а), оси ко­торых различно ориентированы по отношению к осям планок. При перемещении планки ВВ в плоскости пластин, параллельно планке АА, во всех трех пластинах возникает напряженное со­стояние. Просвечивание этих моделей в поляризованном свете показало, что на свободном контуре образуются как сжатые так и растянутые участки (рис. 3, б) (получить только сжатый контур невозможно). Точки О—нулевые; слева и справа от них возникают соответственно растягивающие Å и сжимаю­щие Q напряжения.

 

                                 

 

Рис.3. Исследование пластин на сдвиг:

а – расположение резиновых пластин между параллельными планками АА и ВВ; б – картина изохром (стрелками показано направление сдвига); О – нулевые точки, Å и Q - зоны растягивающих и сжимающих напряжений.

 

 

Рис.4. Картина изохром в секторной модели амортизатора шифра 1-1(секторный):

О – нулевые точки

 

 

Исследовались модели серийных амортизаторов шифра 1-1 (рис. 4). В этом случае радиус амортизатора немного бо­лее размеров сечения и задачу нельзя решать, как задачу о плоскодеформированном напряженном состоянии. Поэтому дву­мя радиальными сечениями вырезали сектор или элемент пере­менной толщины. Картина полос в этом элементе получена

в монохроматическом свете. Цена полосы является функцией толщины (рис. 5) и определяется по формуле

Ks^h_o = K . s_o^1,0 / h   K = tдет ./tмод. = P /2 p rl tмод.

где    Р—сила, действующаяна амортизатор;

    l—ширина детали в данном сечении;

tдет иtмод — средние касательные напряжения в том же сече­нии модели и детали.

Напряжения на свободном контуре (рис. 6) модели определяли по формуле

s1 = 6 Ks^h_o m

Стендовые испытания амортизаторов шифра 1—1 показали,что и в этом случае трещины появляются на контуре в областях наибольших растяжений.

 

              Рис.5. Характер изменения цены          Рис.6. Эпюры напряжений в

             олосы Ks^h_o вдоль модели шифра          в сечениях модели амортизатора

                                     1-1.                                                        шифра 1-1;

                 Буквами обозначены точки сечения.                Å и Q - зоны растягивающих и сжимающих

                                                                                                                            напряжений.

 

Таким образом, мы привели примеры исследования проч­ности на двух типах резиновых деталей методом фотоупругости. Этим же методом может быть проведено исследование напря­женного состояния других деталей. Очевидно, оптический метод может быть также применен для исследования релаксации на­пряжений, герметичности, динамики и т. д.

 

 

СТОЙКОСТЬ РЕЗИН К ВОЗДЕЙСТВИЮ АТМОСФЕРЫ, АГРЕССИВНЫХ СРЕД, РАДИАЦИИ

Резиновые изделия, так же как и большинство других мате­риалов, работают в определенной среде. Даже та среда, кото­рую считают привычной для живых организмов — воздух, обычные атмосферные воздействия — солнечное излучение, следы озона, влага, не является безобидной и инертной для резин. Рас­ширение международных связей и технических возможностей приводит к необходимости изготавливать резино-техническиеизделия для наиболее трудных естественных условий — тропики, арктика, космос; кроме того, стремительное развитие техники Предъявляет к резинам все более жесткие требования по их ра­ботоспособности в специальных условиях — воздействия радиации, открытого пламени, масел, кислот и других химически аг­рессивных веществ, а также сочетания агрессивных сред и напряжения. Последнее условие наиболее опасно.

В данном сообщении коротко освещены следующие положе­ния: 1) принципиальная разница в поведении напряженных и ненапряженных резин и вопросы, возникающие по методам испы­таний; 2) требования, предъявляемые к резинам по работоспо­собности в различных средах в напряженном и ненапряженном состоянии.

Опыт и теоретическое рассмотрение показывают, что дей­ствие напряжения накладывает свою специфику на разрушение материалов под влиянием других факторов и часто приводит к качественно иным закономерностям. Если говорить о наиболее разрушающем виде напряжений — растягивающих напряже­ниях, — то скорость разрушения напряженного материала под влиянием агрессивных воздействий обычно определяется ско­ростью химического взаимодействия, а ненапряженного — ско­ростью диффузии. Это обусловливает различные температурные зависимости и разный порядок расположения резин в напряжен­ном и ненапряженном состоянии по их стойкости в агрессивных средах. В связи с этим необходимо оценивать стойкость резин к агрессивным воздействиям не только в ненапряженном состоянии, но и при одновременном действии напряжения. Так как ре­зультативное воздействие определяется соотношением интенсивностей химического и механического факторов, спецификой та­ких испытаний должны быть испытания при нескольких соот­ношениях этих факторов. Это достигается либо испытаниями при разных концентрациях агрессивной среды (например, при испытаниях на озонное и свето-озонное старение) либо испыта­ниями при разных напряжениях (испытания в кислотах). В наи­более сложных случаях рекомендуется изменять и то и другое. Зависимости показателя скорости разрушения — времени до разрыва (tр) — как от концентрации с агрессивной среды, так и от напряжения носят сложный характер. При малых кон­центрациях среда практически не влияет на tр (происходит ста­тическая усталость материала), а при больших—наблюдается степенная зависимость t р = k с^{- n}

Кривая зависимости tр от напряжения при наличии корро­зионного растрескивания проходит через минимум и максимум из-за развивающихся в резине с ростом деформаций ориентационных явлений и связанного с ними упрочнения. Таким обра­зом, количественная и даже качественная относительная оценка резин по их агрессивной стойкости в напряженном состоянии должна проводиться с учетом экстремальной зависимости их свойств от деформации. О сопротивляемости резин более слож­ным видам разрушения, в частности износу в присутствии агрес­сивных сред, практически нет опубликованных данных. Однако имея в виду многообразие этого явления даже в отсутствие аг­рессивных сред, можно понять его сложность при одновремен­ном агрессивном воздействии. Особенно большое значение пред­ставляет выяснение закономерностей износа по гладкой поверх­ности (для подвижных уплотнений) и гидроабразивного износа под действием различных пульп — песок в воде, флотационные пульпы, суспензии красителей в спирто-щелочном растворе, ме­таллические детали в серной кислоте (травление) и т. д. Зако­номерности гидроабразивного износа другие, чем износа по за­крепленному абразиву; в частности, наиболее стойкими в воз­духе и воде оказываются ненаполненные эластичные резины в отличие от обычного абразивного износа.

Воздействие напряжения вносит свою специфику и при об­лучении резин. Помимо химических превращений под влиянием g-излучения, резко увеличивается подвижность молекул, а сле­довательно, и скорость релаксационных процессов

 

Атмосферное старение

Как известно, на открытом воздухе в нижних слоях атмо­сферы резины подвергаются воздействию следов озона и сол­нечного света, вызывающих растрескивание напряженных изде­лий. По отношению к озону резины можно разделить на две группы:

1) Особо стойкие—из каучуков, не содержащих двойных связей (фторкаучуки, СКТ, СКУ, СКЭП, СХПЭ, тиокол), относящиеся к группе спецкаучуков. Резины из этих каучуков могут работать в атмосферных условиях неопределенно долгое время, не подвергаясь озонному растрескиванию.

2) Нестойкие — из каучуков, имеющих в своем составе двой­ные связи (НК, СКИ, СКВ, СКД, СКС, СКН), относящиеся к каучукам общего назначения. Резины из этих каучуков покры­ваются трещинами и разрушаются на открытом воздухе за не­сколько дней. Промежуточное положение между этими двумя группами занимают бутилкаучук и полихлоропрен.

Каучуки, стойкие к атмосферным воздействиям, не всегда могут быть использованы, так как часто не обладают всем комп­лексом требуемых свойств. С другой стороны, каучуки общего назначения для нормальной эксплуатации следует обязательно защищать от старения; нуждается в защите и более стойкий каучук, такой, как хлоропреновый.

Увеличение сопротивления резиновых изделий атмосферным воздействиям достигается тремя путями:

1) Изменением (обычно уменьшением) растягивающих на­пряжений в изделии. Этого можно достичь изменением кон­струкции (например, уменьшением толщины при одинаковой де­формации изгиба), технологии изготовления (например, резино­вую трубку часто изготавливают, сворачивая ее в бухту при вулканизации; еслизатем трубка эксплуатируется в распрям­ленном состоянии, на ней появляются растягивающие напряже­ния. Этого можно было бы избегнуть, вулканизуя трубку на дорнах в распрямленном состоянии), правильным выбором ус­ловий эксплуатации. При этом надо иметь в виду, что наиболее интенсивное разрушение резин в результате воздействия озона и активирующего это воздействие солнечного света и различных излучений происходит в некоторой ограниченной области де­формаций — возле критической деформации jкр; при деформа­циях меньше и больше этой деформации разрушение замедляет­ся. Следовательно, изменяя конструкционными приемами вели­чину напряжения, необходимо избежать попадания изделия в областьjкр.

2) Нанесением защитных покрытий. Для этой цели исполь­зуется полихлоропрен, сульфохлорированный полиэтилен. В на­шей промышленности для этих целей применяются клеи: КЗС (хлорированный наирит), обеспечивающий защиту изделий до двух лет, и покрытия СПО-46 и ВГП-18. Однако метод имеет ряд недостатков.

3) Защитой с помощью антиозонантов и восков. Этот путь защиты в настоящее время является наиболее приемлемым и эффективным. Из воскообразных веществ хорошо зарекомендо­вали себя воски АФ-1, ЗВ-1 и антилюкс, из антиозонантов— 4010 NА, сантофлекс АW, параоксинеозон, ацетонанил. Для оптимальной защиты используется смесь 4010 NА, сантофлекса АW и воска. Применяются также смеси 4010 NА с параоксинеозоном или с диэтилдитиокарбаматом никеля. Как показывают ре­зультаты экспозиции на открытом воздухе при статической де­формации, равной 18%, защищенные резины из СКМС-3ОРП, СКМС-10, СКИ-3 стоят без растрескивания более 650 суток.