ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Механизм локальных разрушений при истирании из "Усиление эластомеров" Заслуживает внимания совпадение явлений высокоскоростного раздира с явлениями, наблюдаемыми при хрупком разрыве материалов с обычной упругостью. В резине внутреннее трение должно снижать как скорость упругих волн , так и скорость распространения раздира, но для типичных вулканизатов этот эффект незначителен. Хотя вязко-упругие скоростные эффекты уменьшают различие между обычной упругостью и каучукоподобной эластичностью при больших скоростях деформации, все же максимальные скорости деформации при раздире являются недостаточно высокими, чтобы рассматривать поведение резины как обычного хрупкого тела. [c.54] По данным Бики и Уайта скорости распространения раздира, наблюдаемые в вулканизатах силоксанового каучука, хорошо согласуются со скоростями, рассчитанными по теории упругости. [c.54] Совпадение скорости распространения раздира в резине с соответствующими результатами для хрупких материалов объясняется прежде всего высокой степенью деформации в вершине раздира, вследствие которой разрыв распространяется по предельно растянутым цепным молекулам, потерявшим свою эластичность. [c.54] необходимое для распространения раздира через угловой образец с инициирующим надрезом, растяп.ваемый со скоростью 50 см/мин, для ненаполненной резины из натурального каучука составляло 1,6 мсек, а для протекторной резины — 13 мсек. С другой стороны, при исиользовании полоски без надреза, как н в испытании на разрыв, протекторная резина раздиралась несколько быстрее, чем ненаполненная. Ддя резин, содержащих усиливающие наполнители, это еще раз подтверждает влияние структурных эффектов вблизи вершины надреза, которое проявляется не только в увеличении усилил, вызывающего раздир, но и в уменьшении скорости распространения раздира. В общем, раздир при наличии надреза развивается медленнее, чем почти одновременные инициирование и раздир, происходящие при испытании на разрыв. [c.55] В данном случае, скорость распространения самопроизвольного-раздира была так высока, что движением зажимов можно было пренебречь, так как за время полного раздира образец удлинялся только на Ио. Это согласуется с энергетическим представлением о раздире, согласно которому приложение нагрузки только обеспечивает условие для начала раздира. Как только раздир начался, нагрузка более не оказывает влияния на его распростране ние, так как затраты энергии на раздир восполняются за счет упругой энергии, уже запасенной в образце. [c.55] Средние скорости распространения раздира, полученные как отношение пути раздира через образец ко времени раздира, для ненаполненных вулканизатов натурального каучука составляли величину порядка 10 м1сек, а для резин, наполненных сажей, были в 5— 10 раз меньше. Для нагрузок, вызывающих раздир, таких больших различий не наблюдалось. Этим еще раз подчеркивается значение энергии, а не усилия в процессе распространения раздира. Нагрузка остается высокой даже тогда, когда уцелевшее еще поперечное сечение уменьшается до малой доли исходного, и резко падает, когда образец почти полностью разодран. По одному из возможных вариантов объяснений этого явления раздир распространяется настолько быстро, что не только силы сдвига препятствуют сокращению резины, но и сама резина за время развития раздира не успевает сократиться, что привело бы к снижению нагрузки. Скорость сокращения полоски протекторной резины, отпущенной после растяжения на 200%, составляет около 75 мкек . При обычном испытании на раздир нельзя отличить нагрузку, необходимую для начала раздира, от нагрузки, необходимой для его развития. [c.55] Высокие эксплуатационные свойства резины в условцях жесткого износа делают ее наиболее пригодной для изготовления таких изделий, как шины, каблуки, автомобильные маты. Существует и другая область применения эластомеров, в которой они иногда оказываются устойчивее металла. Покрытие металла слоем резины является известным, широко используемым способом защиты цистерн, желобов, вагонеток и бункеров, используемых для хранения материалов в виде кусков с острыми краями или порошкообразных. Этому типу износа часто подвергаются конвейерные ленты. [c.56] Использование покрытий из неопрена или полиуретана на ведущих кромках крыльев высокоскоростных самолетов для повышения сопротивления эрозии, возникающей под влиянием дождевых капель, является другим примером, показывающим, что сопротивление истиранию покрытия из эластомера может быть гораздо выше, чем основного металла Сравнительные испытания показали, что покрытия из эластомера увеличивали период до появления шероховатостей на поверхности материала в 10—100 раз. [c.56] На рис. 2.8 показана зависимость относительного объема потерь (за эталон принят стандартный стальной образец) от угла наклона потока частиц, в качестве которых использо-валС Я кварцевый песок с размером частиц 0,2—С увеличением угла наклона к поверхности образца выше 30° износостойкость резины непрерывно улучшается по сравнению со сталью. При любом данном угле силу удара частицы можно рассма-тр 1вать как состоящую из тангенциальной составляющей, параллельной поверхности, и нормальной составляющей, перпендикулярной поверхности. Коэффициент трения определяет угол, при котором отсутствует скольжение частиц вдоль поверхности, и равен tg а ,, где — угол между потоком и поверхностью, при котором возникает скольжение. [c.57] Из рис. 2.8 видно, что преимущество резины становится более отчетливым по мере уменьшенгл возможности скольжения частиц по поверхности. [c.57] Другим интересным примером сравнения износостойкости резины и стали являются результаты Зэппа который исследовал истирание при качении стального и резинового колес по шлифовальному кругу, контролируя проскальзывание между образцом и кругом. Для низких значений проскальзывания скорость износа протекторной резины из бутилкаучука была намного ниже, чем стали. Как указывает Зэпп, это дает возможность объяснить хорошую износостойкость конвейерных лент, облицованных резиной желобов и других подобных устройств. При контакте с резиной куски материала чаще отскакивают, переворачиваются и вращаются, чем скользят по поверхности, создавая наиболее благоприятную для износостойкости резины ситуацию. [c.57] Истирание заключается главным образом в механическом отрыве малых (возможно, микроскопических) частиц с поверхности резины в результате ее фрикционного взаимодействия с другой поверхностью. Рассмотренные ранее механизмы относительно простых процессов разрыва, раздира и усталостных разрушений в резине позволяют сделать некоторые достаточно обоснованные предположения о природе гораздо более сложных процессов разрушения при истирании. Становится очевидным, что условия истирания обусловливают совершенно иное взаимодействие различных факторов, играющих существенную роль в более простых типах разрушения. [c.58] Прежде всего необходимо отметить, что объем, в котором развивается элементарное разрушение, очень мал и, следовательно, материал в этом объеме должен быть прочнее, чем в большом образце, т. е. количество трещин в нем будет меньше вероятно, размер максимальной трещины, которая инициирует разрушение, также будет меньше. К тому же, чем мельче зерна абразива, тем больше будет статистическое повышение прочности данного элемента. Общий статистический эффект может привести к очень широкому распределению прочностей элементарных объемов, в которых развивается разрушение, поскольку прочность элементарного объема, содержащего более крупную трещину, катастрофически падает. [c.58] Вязко-упругие эффекты также влияют на процесс локальных разрушений при истирании. Предполагалось, что скорости локальных удлинений при истирании шины составляют около 100 ООО, 200 000 и 1 000 000% в 1 се/с Такие скорости должны лишь в небольшой степени способствовать образованию ориентированных, сопротивляющихся раздиру молекулярных структур, и преобладающим б дет влияние вязко-упругих свойств. Так, Фроманди, Эккер и Хайдеманн нашли, что сопротивление раздиру вулканизата протекторного типа из натурального каучука при 20° С прогрессивно уменьшается с увеличением скорости растяжения в интервале от 20 до 20 000% в 1 сек, а сопротивление раздиру резины из каучука Буна 8 минимально при скорости растяжения около 500% в 1 сек, но затем резко увеличивается и пересекает кривую натурального каучука при скорости 5000% в 1 сек. [c.58] Грош и Маллинс показали, что зависимость скорости истирания некристаллизующихся ненаполненных вулканизатов от скорости деформации и температуры действительно подчиняется соответствующему правилу для типично вязко-упругих тел. Подобная зависимость для наполненных вулканизатов до сих пор не установлена, поэтому трудно сказать, влияет ли на их истирание механизм образования структур или оно является полностью вязко-упругим процессом. Кроме того, структурные эффекты могут сами привести к вязко-упругим преобразованиям, так что установить их существование исходя из этого, не так просто. [c.58] Предполагаемый механизм разрушения при механическом истирании а — начало тангенциального поверхностного раздира б — рост раздира и изгиб выступа в — закручивание г — отделение стружки. [c.59] Другим фактором, затрудняющим описание механизма истирания через обычно измеряемые более простые свойства вулканизата, является локальное повышение температуры, которое невозможно измерить, а можно лишь рассчитать по теории теплопроводности Расчеты показали, что колебания температуры локализованы в поверхностном слое, толщина которого (около 10 см) имеет, быть может случайно, тот же порядок, что и толщина граничного слоя, определенная Шалламахом при электрических измерениях. [c.60] Вернуться к основной статье