Склеивание металлов и пластмасс - Ковачич Л.
Скачать (прямая ссылка):
С помощью метода фотоупругости было установлено, что градиент концентрации напряжений в соединении возникает вблизи границы раздела фаз и равен приблизительно 3*. В клее относительно высокий градиент напряжений находится на краю и снижается к центру соединения. Многое зависит от соотношения толщины клеевого шва и общей поверхности соединения (рис. 1.13).
Если площадь соединения намного больше толщины клеевого шва, то нагружение соединения встык растягивающей силой может вызвать возникновение срезающих напряжений по направлению к центру соединения. Из этого вытекает, что чем тоньше слой клея, тем меньше напряжения в нем.
Напряжение при сдвиге вдоль оси х в данном случае можно рассчитать по уравнению
т*? = ?сс«2ф (1.48)
Уравнение для случая соединения двух цилиндров имеет следующий вид:
f=2ka/3h0 (1.49)
(a — диаметр цилиндров).
Соединения внахлестку весьма разнообразны с точки зрения как конструкции соединения, так и склеиваемых материалов. Ясно, что распределение напряжений в соединении зависит от конструкции соединения. Для примера рассмотрим соединение упругих материалов с одинарной нахлесткой.
Концентрация касательных напряжений в этом соединении зависит в числе
прочих причин от соотношения модулей упругости клея и субстрата. —
Прим. ред.
3»
35
Рис. 1.13. Срезающие напряжения в соединениях встык при испытаниях на равномерный отрыв.
Рис. 1.14. Деформация одинарного соединения внахлестку:
а — без напряжения; б —начало деформации субстрата и клеевого соединения; Q — окончательная деформация субстрата и клеевого шва.
При нагружении соединений материалов, прочность которых достаточно высока, может происходить их деформация (рис. 1.14). Напряжения в соединении внахлестку распределены неравномерно, причем максимальны они на краях нахлестки, минимальны — га центре. Напряжения, вызванные внешней растягивающей силой, действующей вдоль продольной оси соединения, будут действовать в различных направлениях, так что в конце концов разрушение начнется вследствие отдира, который в точках М и N достигает наибольшей величины. На напряжения в соединении будут влиять не только его площадь и толщина клеевого слоя, но и толщина субстрата и его механические свойства, от которых зависит деформация образца. Именно изменение формы образца приводит к изменению величины и характера напряжений, в соединении ’возникает неблагоприятная комбинация действующих сил, из-за чего ускоряется разрушение. Деформации можно помешать, не только увеличивая толщину и прочность субстрата, но и упрочняя соединения с помощью накладок, ребер и т. п.
Если сила, действующая при растяжении F0> ширина соединения со и длина нахлестки L, то в соединении будет действовать момент Мо (главным образом на концах нахлестки) и напряжение V перпендикулярно плоскости клея. Обозначим Of напряжение при растяжении в направлении действия силы Fq на поверхности субстрата, ао напряжение в клее перпендикулярно плоскости соединения (напряжение при отдире) и то напряжение при сдвиге в клее. Следует установить, какова связь между наибольшими значениями этих напряжений и F0, которая в обычных условиях испытаний возрастает вплоть до разрушения. Их связь будет зависеть от значения безразмерной величины
k = 2M0/F0S (1.50)
(где б — толщина субстрата, мм).
Существует зависимость между k и безразмерной величиной (L/8) (F0/w8E)0’5, которое для простоты обозначим BP (Е — мо-
36
дуль упругости субстрата при растяжении) [62]:
k............ 1,0 0,61 0,45 0,37
ВР........... 0 0,2 0,4 0,6
Зависимости ау, сто и го от k и, следовательно, от F0 различны в зависимости от того, определяется ли упругость соединения в основном субстратом или клеем. В первом случае hjS^EjE /г0/б <с Gi/G
где Ао — толщина клея; Ей Е — модули упругости при растяжении клея и субстрата; GbG— модули упругости при сдвиге клея и субстрата.
Распределение напряжений ib соединении внахлестку, для которого выполняются приведенные выше условия, представлены на рис. 1.15. Из рисунка видно, что если k снижается, то F0 возрастает. Значения as/f0, oo/fo и т0//о, обозначенные на этом рисунке р, отложены на оси ординат. Максимальное значение P = cTf//0, которое отвечает приведенным выше условиям, достигает 4, т. е. концентрация напряжений может быть в четыре раза выше, чем средние напряжения. Другими словами, если k уменьшается (т. е. F0 возрастает), то снижается и концентрация напряжений. Однако абсолютные значения напряжений при этом растут.
Если Е, 6 и F0 постоянны, то k возрастает с длиной нахлестки L. При одинарной нахлестке максимальные значения ст0 и erf на обоих концах нахлестки одинаковы.
Во втором случае, когда упругость соединения определяется свойствами клея или размерами соединения
h0/8^>G1/G
Распределение напряжений в этом случае приведено на рис. 1.16.
Максимальное напряжение сдвига в клее при небольшой внешней нагрузке будет
/об
^макс — ?
/ 20^2 0,5 / 20^2 0,5
\ Eh08 ) coth [ Eh08 j
(1.51)
В соединениях типа одинарной нахлестки отношение (2GiL2/Eh08)°’s (обозначим его А) приблизительно равно единице, a coth 1 = 1,31. Следовательно, можно сказать, что максимальное напряжение в клее при сдвиге
