 |
Механические свойства пластмасс
|
|
|
|
В последние годы в конструкциях получают все большее применение новые материалы на основе природных и синтетических полимеров, так называемые пластмассы или пластики.
Пластмассы Представляют собой или чистые смолы, или композицию из смолы и ряда компонентов — наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и др.
В зависимости от применяемого наполнителя пластмассы разделяют на композиционные и слоистые. Композиционные в свою очередь разделяют на порошкообразные, волокнистые и с наполнителем в виде крошки.
Наполнители применяют органические и неорганические; они служат для модификации свойств материала, улучшения физико-механических, фрикционных и других свойств материала, а также для снижения его стоимости.
Органическими наполнителями являются древесная мука, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стеклоткань, слюду, кварц и другие материалы.
Наполнители в виде полотнищ (тканых или нетканых) позволяют получать слоистые пластики высокой прочности.
При использовании в качестве наполнителя хлопчатобумажной ткани получают текстолит, стеклоткани — стеклотекстолит, бумаги — гетинакс, асбестовой ткани — асботекстолит, древесного шпона — древеснослоистые пластики (ДСП), песка и щебня — пластобетон.
Особую группу наполнителей составляют армирующие материалы на основе стекловолокна, стекложгута, стекломата, которые могут обеспечить изготовление деталей, по прочности не уступающих стали (табл. 1).
Стеклопластики, полученные на основе полиамидов, поликарбонатов, используют для изготовления брони, не пробиваемой пулями.
|
|
|
Таблица 1
| Стеклонаполнитель | Предел прочности σв, кГ/см2 в ' | Модуль упругости Е, кГ/см2 |
| Стекломат……………………… Стекломат с ромбической структурой.......................................................................... Стеклоткань…………………… Параллельные стекловолокна | 1400-2100 5000-6000 1800-3500 7800-10500 | (8-12)·104 (18-23)·104 (14-21)·104 (23-40)·104 |
Из стеклопластиков изготовляют направляющие лопатки компрессоров, авиационных и ракетных двигателей, что дает возможность снизить вес этих аппаратов.
Стеклопластики сравнительно хорошо сопротивляются действию динамических нагрузок и способны гасить колебания элементов конструкций.
Пластмассы как конструкционные материалы имеют следующие особенности:
1) малый удельный вес (1,2—1,9 Г/см3), что в сочетании с высокой прочностью дает возможность выполнять очень легкие конструкции; у многих пластмасс отношение предела прочности к удельному весу (удельная прочность) значительно выше, чем у сталей (табл. 2).
Таблица 2
| Материал | Удельная прочность, кГ/ммг Г/см* |
| Сталь Ст. 3……………………………………… Сталь ЗОГСА…………………………………… Дюралюминий Д16…………………………….. СВАМ 1:1………………………………………. СВАМ 10: 1 | 5,7 20,4 17,5 26 48 |
В этой таблице приведены данные о стекловолокнистом анизотроп
ном материале СВАМ с различным соотношением продольных и поперечных стеклянных волокон;
2) диаграммы деформирования пластмасс весьма разнообразны; У стеклопластиков с направленным расположением стеклянных нитей, как например, у СВАМ это прямые почти до разрушения (рис. 2.19, а).
Однако у большинства пластмасс диаграммы ε— σ имеют вид плавной кривой, которую на некотором протяжении от начала координат можно принимать за прямую.
У большинства конструкционных пластмасс удлинение при разрыве не превосходит 3—4%, т. е. значительно ниже, чем у сталей;
3) пластмассы имеют обычно неодинаковые механические характеристики при растяжении и сжатии;
|
|
|
4) пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным и длительным нагрузкам;
5) для характеристик упругих и прочностных свойств пластиков характерен больший разброс, чем у металлов. Это объясняется старением материалов, гигроскопичностью, влиянием температуры, анизотропией свойств, неоднородностью структуры, влиянием технологии изготовления;
6)для пластмасс характерно более значительное по сравнению с металлами проявление масштабного эффекта. Предел прочности деталей из пластмасс существенно уменьшается с увеличением размеров поперечного сечения.
На рис. 2.20 приведены значения масштабного коэффициента εσ, при растяжении для стеклопластиков в зависимости от площади поперечного сечения образца;
7) свойства пластмасс существенно зависят от температуры. На рис. 2.21 приведены графики, показывающие зависимость предела прочности пластмасс от температуры.
Основные группы пластмасс могут работать в интервале температур от -200ºС до +250ºС; с появлением пластмасс на основе кремнийорганических полимеров и фторопластов верхний предел температуры поднялся до +500ºС.
Стеклопласты на основе кремнийорганической смолы не теряют прочности при 250°С, выдерживают нагрев до 2750ºС в течение 2 мин;
8) пластики обладают большой склонностью к ползучести и релаксации даже при нормальных температурах;
9)
10)для пластиков характерна малая жесткость; модуль упругости самых жестких пластиков (стеклопластиков) примерно в 10 раз меньше, чем у сталей. В результате этого детали из пластмасс получают более значительные деформации и перемещения, чем стальные детали;
10) многие пластмассы анизотропны, т. е. имеют в разных направлениях различные свойства. Анизотропия ярко выражена у слоистых пластиков. На рис. 2.19, б и 2.19, в приведены зависимости предела прочности и модуля упругости при растяжении от направления нагружения для СВАМ 1:1.
Анизотропия свойств должна соответствующим образом учитываться при расчетах на прочность.
В табл. 2.5 приведены сведения о механических свойствах основных групп пластмасс. Следует отметить, что механические свойства пластмасс еще далеко не изучены, и предстоит большая работа в этом направлении.
|
|
|
Неоднородность материалов
Существует допущение об однородности и изотропности
материала в пределах одной детали. Однако в разных деталях, изготовленных из одного и того же материала, механические и пластические свойства материала могут весьма различаться между собой (рассеиваться).
Действительно, если изготовить несколько одинаковых образцов из одной и той же стали, испытать их на растяжение и определить предел текучести, то результаты, как правило, не будут совпадать друг с другом.
Таблица 3
| Материал | Характеристика | Предел прочности при растяжении σв. р кГ /мм2 | Предел прочности при сжатии σв.с, кГ/мм2 | Предел прочности при изгибе σв. изг, кГ /мм2 | Модуль упругости при растяжении Е, кГ/мм2 | Модуль сдвига G, кГ/мм2 |
|
| Стеклопласты Текстолиты Древесные пластики Гетинаксы Фибра Оргстекло | На основе ткани…... На основе ориентированных нитей в двух взаимно перпендикулярных направлениях ….................................... На основе хлопчатобумажных тканей......................................... На основе различных сортов древесины…... На основе сульфатной бумаги........................... На основе специальных сортов бумаги На основе полимеров и сополимеров метакриловой кислоты......................................... | 26-50 30-100 6-11 14-22 7-10 3-13 7,1-9,2 | 10-40 — 13-15 12-15,5 — 11-13 — | 13-60 23-85 9-16 16,5-22 8-14 4-10 9,9-15,3 | 1800-2200 2400-3500 950-1000 1200-3400 1000-1800 500-800 290-416 | 350—400 — 250 80—250 80—250 — — | 0,22-0,25 0,25-0,28 0,2-0,25 0,25-0,3 0,2-0,3 0,25-0,3 0,1-0,16 |
Для примера на рис. 2.22 представлена кривая распределения предела текучести для малоуглеродистой стали Ст.З, построенная по результатам испытания 6000 образцов. Штриховой линией показана опытная частотная диаграмма, сплошной линией — теоретическая кривая (так называемая кривая нормального распределения), к которой стремится при увеличении числа испытаний кривая, построенная по экспериментальным данным.
|
|
|
Из этого рисунка видно, что наиболее часто встречающимся значением предела текучести для этой стали является σт = 30 кГ/мм2 (15% всех случаев). Минимальное значение близко к 22 кГ/мм2 и максимальное — к 38 кГ/мм2. Вид кривой показывает, что не исключена возможность (при большем числе испытаний) обнаружения, с одной стороны, более низких и, с другой стороны, более высоких значений предела текучести.
Аналогичные кривые построены и для других материалов.
Для менее однородных материалов, например, бетона, дерева, они более пологи, т. е. в этом случае разброс (рассеяние) значений соответствующей величины значительно больше.
На рис. 2.23 приведены частотные диаграммы предела прочности для сталей Ст.1÷Ст.5, из которых видно, что сталь Ст.4 и сталь Ст.5 менее однородны, чем остальные стали.
Как видно из рис. 2.23, частотные диаграммы для сталей разных
марок частично наслаиваются друг на друга, т. е. стали разных марок могут иметь одинаковые механические характеристики, в том числе
предел прочности.
Например, предел прочности σв = 40 кГ/мм2 может быть у четырех марок сталей: Ст.1; Ст.2; Ст.З; Ст.4.
Наличие кривых распределения, дающих весьма надежную характеристику степени однородности материала, позволяет более дифференцированно рассчитывать детали, принимая для более однородных материалов, при прочих равных условиях, более высокие допускаемые напряжения.
Кривые распределения лежат в основе принципиально нового статистического метода расчета конструкций.
Литература
1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. 2006
2. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. 2006
3. Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем. 2001
|
|
|
12 |
