Образец для оценки прочности клеевых соединений при сдвиге

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к образцам для контроля и исследования прочности клеевых соединений при сдвиге конструкционных материалов склеенных внахлест, в том числе в условиях высоких температур.

Известен способ определения прочности клеевых соединений (ГОСТ 14759-69. Клеи. Метод определения прочности при сдвиге) и способ определения прочности клеевых соединений (РТМ 1.2. 126 - 88 Клеи. Метод определения прочности при сдвиге клеевых соединений листовых неметаллических материалов). Сущность методов заключается в определении разрушающей силы при растяжении стандартного образца в виде двух прямоугольных пластин, склеенных внахлест, усилиями, стремящимися сдвинуть одну половину образца относительно другой.

Основным недостатком этих образцов является наличие концентрации напряжений на краях пластин в зоне их склейки, так называемый краевой эффект: наибольшие уровни напряжений реализуются на краях образцов и кроме касательных напряжений появляются нормальные (отрывные) напряжения.

Известен способ испытания клеевых соединений на сдвиг (А.с. №1629807, кл. G01N 3/24, опубл. 23.02.1991 бюл. №7), содержащий два одинаковых элемента, соединенные внахлест клеевым слоем по плоскости, элементы сдвигают друг относительно друга в этой плоскости усилиями растяжения, а о прочности соединения судят по усилию разрушения, причем испытывают также дополнительный, аналогичный основному, образец при сжатии, а о прочности соединения судят с учетом усилия сжатия, при котором происходит разрушение соединения.

Основным недостатком этого способа и образца является наличие концентрации напряжений в клеевом слое на краях элементов, где возникают наибольшие значения касательных (сдвиговых) напряжений в клеевом слое, причем величина напряжений на краях клеевого слоя неодинакова в случае приложения усилия растяжения или сжатия, что сказывается на результате прочности клеевого соединения (образца). Поэтому о прочности клеевого соединения судят по средней величине двух видов нагружения, при этом отмечается существенный разброс в величинах усилий разрушения основного образца и аналога от -42%, до +36% на 10 образцах.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является образец для определения прочности при сдвиге клеевого соединения (ГОСТ Р 57066 - 2016. Композиты полимерные. Метод определения прочности при сдвиге клеевого соединения внахлест. Дата введения 2017-03-01), содержащий две листовых пластины из полимерного композита (ПК) или одна из ПК, а другая из металла, склеенных внахлест.

Недостатком этого образца является наличие концентрации напряжений на краях пластин, так называемый краевой эффект: наибольшие уровни напряжений реализуются на краях образцов и кроме касательных напряжений появляются нормальные (отрывные) напряжения. Причем величина этой концентрации сильно зависит от соотношения жесткостных свойств и толщин склеиваемых материалов и клеевого слоя, что существенно влияет на точность определения прочностных свойств клея (на сдвиг).

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и уменьшение погрешностей при определении прочности клеевых соединений при сдвиге путем уменьшения влияния концентрации касательных (сдвиговых) и нормальных (отрывных) напряжений на краях образца за счет существенного снижения концентрации напряжений в клеевом слое и соответственно снижения величин напряжений в краевой зоне и приближении их к номинальным напряжениям, определяющими прочность клея.

Указанная задача решается тем, что предложен образец для оценки прочности клеевых соединений при сдвиге, содержащий две пластины, соединенные внахлест клеевым слоем, отличающийся тем, что пластины имеют срез «на ус» по всей длине области склейки, а склеенные концы пластин выполнены полукруглыми, причем область склейки включает прямоугольную часть пластины на длине равной ее ширине и область скругления, равную половине ширины пластины.

На фиг. 1 показан предлагаемый образец для оценки прочности клеевых соединений при сдвиге.

Образец для оценки прочности клеевых соединений при сдвиге содержит две прямоугольные пластины 1, соединенные внахлест клеевым слоем 2, пластины на концах имеют скругления 3 и по всей длине области склейки выполнен срез «на ус» 4. Размер прямоугольной рабочей части области склейки и ширина пластин а равны между собой. Радиус скругления пластин составляет половину ширины пластины R=а/2.

На фиг. 2 представлены расчетные графики относительных величин напряжений, что соответствует их концентрации, касательных (сдвиговых) и нормальных (отрывных) напряжений по длине клеевого слоя (L) при испытании трех вариантов образца на сдвиг. Линии на графиках соответствуют: варианту прототипа (сплошная линия), выполнение срез «на ус» области склейки (пунктирная линия) и вариант заявляемой конструкции образца (звездочки) с выполнением среза «на ус» области склейки и скругления концов пластин по радиусу, равным половине ширины пластины. Расчеты приведены для следующих данных: модули упругости пластин E₁=E₂=7*10⁴ МПа, жесткость клеевого слоя Е=3000 МПа, длина области склейки L=50 мм, толщина клеевого слоя δ=0,2 мм.

На фиг. 3 представлены данные по разбросу значений прочности клеевого соединения, полученные при паспортизации изделий (толщина клеевого шва от 0,05 до 0,3 мм).

Образец работает следующим образом.

При испытании образца свободные концы закрепляют в захватах испытательной машины (не показана) и прикладывают к образцу сдвиговую нагрузку F, доводят до разрушения, по величине которой судят о прочности клея. Площадь клеевого соединения определяется по сумме площадей двух участков: прямоугольной рабочей части S_np=a² и области скругления S_ск=3,14R².

Рассмотрим теоретические вопросы в обосновании выбора отличительных признаков предлагаемого образца для оценки прочности клеевых соединений при сдвиге. Количественная оценка прочности клеевого соединения должна быть ориентирована на минимизацию эффектов неоднородности напряжений в зоне склейки, вызываемые эксцентричными нагрузками, направленными на сдвиг, расщепление и отслаивание, то есть способствуют возникновению адгезионных и когезионных напряжений в клеевом слое. Избежать эксцентричных нагрузок зачастую невозможно, но уменьшить их влияние возможно.

Нагрузка на сдвиг распределяется вдоль клеевого шва таким образом, что обычно присутствуют зоны концентрации напряжений. На каждый край склеиваемой поверхности приходится большая нагрузка, чем на ее средину. Самыми опасными для клеевых соединений являются отслаивающие и расщепляющие нагрузки. Под их воздействием вдоль узкой линии пограничного слоя клея возникает очень высокая концентрация напряжений, приводящая к адгезионному и когезионному разрушению. В таких случаях особое значение имеет жесткость склеиваемых материалов, чем она выше, тем равномернее распределяются напряжения по всему клеевому шву и в результате прочнее оказывается вся конструкция. Деформация самих склеиваемых элементов под воздействием приложенных сил, является негативным фактором, который приводит к увеличению и перераспределению напряжений в клеевом шве. Нормальные (отрывные) напряжения в образце при испытании на сдвиг возникают при возникновении несоосности прикладываемых сил F по отношению к клеевому слою или в случае не параллельности пластин при неравномерной толщине клеевого слоя.

Наличие локальных зон концентрации напряжений в клеевом слое является фактором, инициирующим преждевременное разрушение образца при нагружении, фактором занижающим реальный уровень предельных прочностных адгезионных характеристик.

Экспериментальное определение указанной концентрации напряжений в образце при разрушении не представляется возможным в связи с отсутствием необходимых средств измерений распределения напряжений в тонком клеевом слое. Численные исследования методом конечных элементов (МКЭ) напряженного состояния в клеевом слое показали, что распределение напряжений по оси образца при испытании отличается существенной неоднородностью. В краевой зоне соединения пластин реализуются эффекты концентрации напряжений, которые неизбежно приводят к преждевременному инициированию разрушения в зоне концентрации с последующим распространением его вдоль всего клеевого слоя. Результаты подобных испытаний занижают реальный уровень адгезионных прочностных характеристик клея.

Существенное снижение касательных (сдвиговых) и нормальных (отрывных) напряжений в клеевом слое, приводящих к преждевременному его разрушению, уменьшение влияния концентрации этих напряжений, достигается за счет применения скругления конца прямоугольной пластины по радиусу R, равному половине ширины пластины R=а/2 и за счет переменной жесткости пластин в зоне склейки, используя срез «на ус», и особенно снижения жесткости скругленной части.

Рассмотрим напряжения, возникающие в слое клея при соединении внахлест. Авторами были проведены многочисленные расчеты МКЭ таких соединений, один из которых приведен на фиг. 2.

На основании этих исследований были сделаны следующие заключения

- на кромках клеевого слоя возникает концентрация касательных (сдвиговых) и нормальных (отрывных) напряжений, по отношению к номинальным (средним) значениям всей площади склейки;

- величина концентрации напряжений зависит от жесткости клея, а также от соотношения жесткостей скрепляемых пластин, и тем она меньше, чем меньше эти жесткости;

- концентрации напряжений в клее избежать невозможно, но можно уменьшить их вредное влияние, уменьшая локальную жесткость в местах возникновения этих концентраций путем применения среза пластин в области склеивания (срез «на ус»);

- вредное влияние концентрации напряжений в клеевом соединении можно существенно уменьшить, если они будут возникать в локальных зонах при меньших значениях номинальных, средних напряжений в этих зонах, по сравнению с общими номинальными (средними) напряжениями всей площади склейки, применяя скругление концов пластин.

Таким образом, применение среза пластин «на ус» в области склеивания и скругление пластин позволяет существенно уменьшить номинальное напряжение в клее в зоне концентрации напряжений на краях образца (фиг. 2), когда напряжения приближаются к номинальным (средним) значениям в прямоугольной части образца, причем нормальные (отрывные) напряжения почти исчезают совсем и полученные результаты испытаний более точно отражают прочность клея на сдвиг, и уменьшают или исключают вредное воздействие концентрации напряжений на краях образца.

Выполненный в области склейки пластин срез «на ус» (фиг. 1) уменьшает концентрацию напряжений на 20-30% за счет снижения изгибной жесткости пластин и дополнительно до 50% при выполнении скругления. Предлагаемое решения в виде скругления пластин на его концах и скошенной кромки (срез «на ус») приводит также к уменьшению или исключению совсем вредного воздействия нормальных (отрывных) напряжений, в случае их возникновения в образце. Важность устранения погрешностей при оценке прочности клеевого соединения на сдвиг при испытании иллюстрируется следующим примером.

При оценке прочности обтекателей ракет, в качестве контролируемого параметра узла соединения керамической оболочки и металлического шпангоута, используется прочность при сдвиге их клеевого соединения.

Данный параметр определяется на образцах, склеенных из материала шпангоута (металл) и оболочки (керамика), и является характеристикой, подтверждающей качество сборки керамической оболочки с металлическим шпангоутом. Такой подход доказал свою жизнеспособность как стендовыми испытаниями конструкций обтекателей, так и натурными испытаниями.

В ходе паспортизации обтекателей по качеству сборки оболочки и шпангоута неоднократно получали уровень прочности клеевого соединения на сдвиг, не отвечающий требований конкретной конструкции. Многочисленные данные по прочности при сдвиге клеевого соединения образцов демонстрируют существенный разброс значений от минимума до максимума, достигающий 100% (фиг. 3). Такой разброс данных не может быть вызван только прочностью клея (хотя выдается заключение именно о прочности клеевого соединения), но и другими параметрами, в первую очередь, точностью проводимых испытаний и используемых образцов.

Предлагаемый образец позволяет снизить возможность необоснованного бракования работоспособных изделий, за счет уменьшения разброса показателей прочности и увеличения точности, и повысить показатели надежности контроля качества клеевого соединения шпангоута и оболочки в обтекателях.