книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

Н а рис. 2.50 показано отношение предела прочности и модуля упругости перво­ го рода при заданной температуры к их значениям при 303 К. Причиной этого повы ­ ш ения может быть снижение роли внутренних дефектов при повышении темпера­ туры .

Д ля углеграфитовых материалов, как и для других хрупких и малопластнчиых материалов, характерно существенное отличие характеристик прочности при растяж ении, сжатии и изгибе. В табл. 2.49 приведены свойства некоторых прессованных

2.3.4. Стекла и ситаллы. Специфичный класс неорганических материалов пред­ ставляют стекла и ситаллы. Стекло — это твердый аморфный материал, занимающий по агрегатному состоянию промежуточное положение между жидкостью и кристал­ лическими веществами. Стекло не плавится при нагревании при достижении темпе­ ратуры плавления, подобно кристаллическим телам, а размягчается последователь­

В технике помимо литиевых епталлов используются магниевые и борные ситаллы, а такж е шлакоепталлы и фотоситаллы. Сравнение свойств некоторых хрупких материалов, в том числе стекол и епталлов, выполнено в табл. 2.52 [49].

Из основных особенностей механического поведения стекол можно отметить сле­ дующие. Стекло практически не имеет пластической деформации, обладает весьма низкой прочностью при растяжении. Д ля стекол (табл: 2.53) характерно наиболее высокое отношение модуля упругости первого рода к пределу прочности при растя-

экении, что трактуется как признак высокой хрупкости материала, показывающий, что разрушение может иметь место при весьма низких значениях упругих дефор­ маций [88]. Разрушение стекла начинается обычно с поверхности и обусловлено наличием на поверхности микродефектов. В связи с этим прочность стекол сравни­ тельно мало зависит от его химического состава и преимущественно зависит от спо­ соба и условий изготовления стекла, его термической обработки, состояния поверх­ ностного слоя (его обработки) и вида испытания (растяжение, сжатие, изгиб).

Полученные характеристики прочности подвержены существенному рассея­ нию. Использование стекла и ситаллов в качестве конструкционного материала имеет смысл, когда детали эксплуатируются в условиях сжатия, в том числе объемного, при наличии коррозионных сред, например морской воды. В качестве примера таких деталей можно назвать контейнеры для датчиков и регистраторов и другие оболо­ чечные конструкции, эксплуатируемые в морских условиях. Большой проблемой

Т а б л и ц а 2.53. Характеристики упругости и хрупкости материалов

при создании таких конструкций является обеспечение контактной прочности в местах соединений, в том числе деталей из стекла и металлов, а также низкая проч­ ность при наличии растягивающих напряжений.

2.4. Пластические массы

Пластические массы (пластмассы, пластики) — материалы, содер­ жащие в своем составе полимеры [31, 52, 74, 88, 172], которые представляют со­ бой химические соединения с высокой молекулярной массой. Их молекулы состоят из большого количества повторяющихся группировок, длина которых в сотни и ты­

сячи раз превышает их поперечные размеры. В полимерах силы внутримолекуляр­ ного взаимодействия во много раз превышают силы межмолекулярного взаимодей­ ствия. Полимеры бывают природные (белки, нуклеиновые кислоты, природные смо­ лы и т. п.) и синтетические (полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегндные смолы и т. д.). Они могут быть как в аморфном, так и в кристаллическом состояниях. Незакристаллизованные полимеры могут быть в стеклообразном, высокоэластич­ ном и вязкотекучем состояниях. Основные типы материалов на основе полимеров — пластические массы, резины, волокна, лаки, краски, клеи, ионообменные смолы.

Наибольшее использование в качестве конструкционных материалов получили плас­ тические массы.

Все пластические массы могут быть разделены на две большие, принципиально отличные группы: термопластические, или термообратимые (термопласты); термо­ реактивные, или термонеобратимые (реактопласты).

К термопластам относятся полимеры, способные при нагревании переходить на стеклообразного (твердого) в вязкотекучее состояние, не изменяя при этом своей химической структуры. При охлаждении термопласты становятся твердыми и могут быть заново переработаны.

Из термопластов могут быть получены изделия путем горячего формирования, литья под давлением, прессования, выдувания, вальцевания. Заготовки из термо­ пласта могут подвергаться механической обработке, свариванию и склеиванию. К термопластам относят также фторопласт, целофан, свойства которых не полнос­ тью соответствуют этому классу полимеров.

К реактопластам относят материалы, при изготовлении которых используются технологические полуфабрикаты, представляющие собой более или менее однородные смеси исходных компонентов, в составе которых находится не готовый полимер, а его полупродукты (мономер, олигомер и т. п.), превращающиеся в процессе перера­ ботки в законченное высокомолекулярное соединение, которое не плавится и на рас­ творяется и поэтому не может, подобно термопласту, подвергаться повторной пере­ работке.

Полимерные массы обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и несовмещающихся компонентов. При этом, помимо полимера, в состав пластической массы могут входить наполнители в виде частиц, волокон, листов, которые повыша­ ют механическую прочность и формируют некоторые другие свойства; пластифика­ торы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера; стабилизаторы по­ лимерных материалов, замедляющие его старение; красители и др.

Полимерные массы могут быть однородными или неоднородными, композици­ онными материалами. В однородных материалах полимер является основным ком­ понентом, определяющим свойства материала. Остальные компоненты растворены в полимере и способны улучшить те или иные его свойства. В неоднородных материа­ лах полимер выполняет функции связующего по отношению к наполнителю в виде частиц, волокон листов. В этом случае важным становится обеспечение прочного сцепления связующего с элементами наполнителя.

Общие свойства пластических масс в соответствии с работой [88J можно охарак­ теризовать следующим образом. Плотность пластических масс зависит от их состава ii технологии изготовления, в среднем она в два раза меньше, чем у алюминия, и в пять-восемь раз, чем у стали.

Прочность пластических масс лежит в широком диапазоне. Более высокие зна­ чения прочности имеют место у слоистых пластиков или пластиков, армированных стеклянным волокном, удельная прочность таких материалов выше, чем у металлов, а удельная жесткость — меньше. Слоистые пластики обладают высокой демпфиру­ ющей способностью, что делает их перспективными для использования в условиях вибрации; нанесение пластиков на металлические детали (пластины) существенно повышает их демпфирующую способность. Длительная прочность пластиков ниже, чем у металлов.

водность пластических масс лежит в широких пределах и во много раз меньше, чеч у металлов и керамики. Коэффициент термического расширения различен для раз­ ных пластиков и во много раз больше, чем у металлов. Существенно зависят свой­ ства пластиков от ионизирующего излучения.

Область I — зона стеклообразного состояния, II — зона высокоэластического состояния; III — зона вязкотекучего состояния. Важной точкой на термо,механиче­ ской кривой является температура хрупкости Тх. При температуре ниже Тх полимер

ских кривых, следует, что на процесс разрушения полимеров влияют такие факторы, как температура, скорость и длительность приложения нагрузки, характер на­ пряженного состояния, действие сред и поверхностно-активных веществ и т. д. Особенности влияния всех этих факторов на процесс разрушения для различных полимеров различны, однако можно проследить общие закономерности, которые рассматриваются ниже на примерах.

Как правило, с понижением температуры прочность полимеров возрастает, а удлинение прн разрушении уменьшается. На рис. 2.52, а показано влияние темпера­

существенное увеличение разрушающих напряжений и снижение деформаций с по­ нижением температуры.

Диаграммы деформирования для аморфных полимеров при различных температу­ рах схематически показаны на рис. 2.53. На рис. 2,54 показана зависимость макси­ мального напряжений отах от температуры [52].

Кривая для температуры T i< T x соответствует разрушению, и деформации в этом случае будут в основном упругими.

держанию кристаллической фазы в полимере. После того как весь образец превра­ тился в ш ейку, процесс переходит в третью стадию (участок I I I ) , которая заканчи ­ вается разрывом.

Следует отметить чрезвычайно высокие уровни деформаций, реализуемые при нагружении некоторых полимеров, в частности, фторопласта, как зто следует из данных, приведенных на рис. 2.56 [52]. С изменением температуры (рис. 2.50) харак -

Пр и м е ч а н и е . Перед косой приведены данные для закаленного образца, поел* косой — для незакаленного.

тер кривых деформирования меняется и при Т < Т с кривые деформирования^ стано­ вятся подобными кривым деформирования аморфных полимеров. В табл. 2.55 при­ ведены механические свойства фторопласта-4 в зависимости от температуры.

Существенно на прочность и деформативность полимеров влияет скорость де­ формирования. В табл. 2.56 приведены данные, характеризующие механические свойства некоторых полимеров в зависимости от скорости деформирования [52]. Видно, что даже при сравнительно небольшом увеличении ско­ рости деформирования механические свойства резко изменяются, в частности характеристики прочности и .модуль упругости возрастают.

Схематически диаграммы деформирования по­ лимера при различных скоростях приложения

нагрузки Р показаны на рис. 2.58 [52]. Увели-

Рис. 2.58. Влияние скорости приложения нагрузки на характер кривых растяжения при (Р г > Р 2 > Р 3)

лентой, полиформальдегид идр. Физико-механические свойства некоторых полярных термопластов даны в табл. 2.59 [69]. Фторопласт используют для изготовления труб, шлангов, клапанов, насосов, защитных покрытий металлов; органическое стекло используют при изготовлении' светотехнических детален, оптических линз, конструкционных элементов в самолетостроении и автомобилестроении; из винипла­ ста изготавливают трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, детали, для вентиляционных установок, теплообменников, используют в качестве защитных покрытий для металлических емкостей и т. п.; нз полиамидов изготавливают шестер­ ни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, колеса центробежных насосов и т. и.; из поликарбоната изготавливают шестерни, подшипники, автодетали и т. д.; из

Т а б л и ц а 2.57. Режимы статических испытаний механических свойств полимерных материалов по ГОСТ, DIN и AST1W

30 с