Склеивание металлов и пластмасс - Ковачич Л.
Скачать (прямая ссылка):
7Г + -7ЯГ (1.21)
(где пит — константы, которые не должны иметь значения 6 и 12 соответственно). Преобразуя отношение (1.21) [так же, как и (1.2) при выведении (1.21)], получим:
ас=: { т — 3 ) т — 3’ (1,22>
Дальнейшие преобразования с учетом соотношения (1.19) дадут:
V=EZB/32 (1.23)
Это соотношение хорошо согласуется с результатами, приведенными на рис. 1.7, и его подтверждают данные табл. 1.4 и 1.5.
Согласно приведенным рассуждениям и расчетам, на основе экспериментов и данных работы [32] можно сделать вывод о зависимости между свободной адгезионной и свободной когезионной энергиями системы:
(AFCl&FC9)4* =Ч> =
Vi + 7г — Via
“'24)
Из (1.24) можно вывести зависимость для поверхностного натяжения на границе раздела фаз (межфазное натяжение):
Yi2 = Vi + Y2— 2<P(YiV2)1/2 (1.25)
Соотношение для идеальной адгезии между двумя фазами имеет вид:
• AFa
З^Т?.)1**
3S
-ф
(1.26)
Его преобразование дает:
<P(YiY2)1/2 = j* (1.27>.
Z01,2
Эти расчеты провел Ханстбергер [69] при выведении критерия (критерий Ханстбергера), с помощью которого можно рассчитать, в каких условиях происходит адгезионное или когезионное разрушение. Если ср=1, то <Zaa <ССТс2, т. е. идеальная адгезионная прочность находится в интервале между значениями идеальной когезионной прочности обеих фаз. Если идеальная адгезионная прочность меньше идеальной когезионной-прочности более слабой фазы, то для адгезионного разрушения должно действовать условие aaiJoCl<.\ и даже <таl2/crc,<. 1, т. е. критерий Ханстбергера для адгезионного разрушения должен иметь вид:
(^о,1 + 202)
<Р < С№)1/2-------2z------ * *
“'ОД
При ф=1 адгезия между фазами больше, чем прочность определенной фазы, а, следовательно, разрушение когезионное и произойдет в наиболее слабой фазе.
Гуд и сотр. применили эти выводы к системе полиэтилен — железо и получили величину <р«0,11. Однако, поскольку формируется в действительности не система ПЭ—железо, а только ПЭ — оксид железа, они предположили, что у для оксида железа находится в интервале 500—1000; тогда ф=0,17—0,24. Правда, нет данных о предсказании качества шва таким способом для большинства материалов.
Необходимо напомнить, что здесь речь идет об идеальной адгезионной прочности, что возможно только тогда, когда слабые адгезионные слои полностью устранены. Однако это зависит и от совершенства технологии, как это следует из эксперимента Ханстбергера (рис. 1.8).
Таблица 1.5. Рассчитанные значения идеальной когезионной прочности ас [32]
Материал ас, мпа
ffc=0,006? а , 32 v 1 ^ 1 И M J4 О рЗ X ьэ
с 9(3)V2 Zo
Полиэтилен (ли- 7-101 16-101 г 30-101
нейный)
Политетрафторэти- 3-101 10-101 15-101
лен
Медь 1,0-10* 1,8-10^ 4-104
24
r;c
WO 80 60 40
CD
ъ“ W
3,8
3,0
2 7 2,9 3,1
1/T-103
Рис. 1.8. Зависимость напряжения при отслаивании (а0) от обратной величины абсолютной температуры [32, 69] для системы сталь — полибутилметил-•акрилат (скорость отслаивания 2—3 мм/мин):
1 — образец отверждали 1 ч при 150 °С; 2—«образец отверждали 1 ч при 100 °С; сплошная кривая — когезионное разрушение; пунктир — разрушение на границе или в приграничной зоне.
Рис. 1.9. Разрушение по границе между двумя фазами (А — субстрат, L — клей, Q — область, в которой разрушение по клею является следствием неровности поверхности).
После нанесения клея в процессе склеивания начинают протекать физические и химические процессы, результатом которых является рост когезионной прочности системы. Эти процессы иногда могут протекать и в дальнейшем, при эксплуатации соединения, однако прочность асимптотически приближается к определенному значению, которое соответствует так называемой конечной прочности клеевого соединения. Конечная прочность соединения зависит от локальных значений прочности, т. е. от прочности в местах, где разрушение наступит раньше, чем по всей площади соединения. При действии разрушающей нагрузки, как правило, оценивают не только конечную прочность, но и характер процесса разрушения, которое может происходить в субстрате, о адгезиве (клее) и на границе клей — субстрат.
По мнению Бикермана и некоторых других авторов, разрушение по границе субстрат — клей настолько редко, что для изучения поведения клеевых систем не имеет никакого значения. Это аргументируется тем, что между субстратом и клеем не существует резкой границы вследствие диффузионных, кристаллизационных, а иногда и химических процессов, которые протекают между фазами. Эти процессы имеют место и в случае несовместимых материалов, хотя и в различной степени, что было доказано с -помощью люминесценции. В результате этих процессов возникает переходная зона, состоящая из нескольких слоев, в которых соотношение проникающих друг в друга материалов различно. Поскольку отрицается наличие резкой границы между двумя фазами, то не может существовать и истинно адгезионного разрушения. Разрушение может быть только когезионным: при разрушении на обеих поверхностях в разных час-
25
тях шва и в различном соотношении находятся остатки противоположной фазы.
Бикерман утверждает, что даже тогда, когда можно предположить наличие резкой границы между двумя фазами (например, в системе стекло — полиэтилен), разрушение вдоль этой границы не происходит. Это утверждение иллюстрирует рис. 1.9. Предположим, что нам удастся приложить нагрузку в соединении точно по границе перпендикулярно к плоскости шв-а. Трещина начнет расширяться в плоскости границы. Но уже после разрушения первых связей (молекулярных или атомных) трещина может распространяться, разветвляясь между молекулами субстрата или клея. Наиболее вероятно, таким образом, что* трещина прорастает от участка клеевого шва, где за счет неровности поверхности образуется более толстый слой клея (область Q на рис. 1.9). Трещина может распространяться в трех направлениях, причем вероятность распространения в прямом направлении составляет (7з)2 (если трещина распространяется между тремя атомами). Если трещина распространяется между п-\-1 атомами, то вероятность прямого распространения будет (Уз)”; если п= 10, то вероятность составит 1 :59 ООО, т. е. разорвется только одна из 59000 связей между молекулами субстрата и клея. При переходе от плоскости в пространственную сферу вероятность распространения трещины в плоскости шва будет только (lh)n. Этот расчет действителен только при условии, что прочность связи субстрат — клей равна когезионной, прочности субстрата и клея. Если адгезия* хотя бы в некоторых местах слабее, то трещина вероятнее всего будет распространяться в направлении наименьшей прочности. Это отвечает и расчетам с помощью критерия Ханстбергера [см. уравнения (1.24) — (1.27)].
