Экспериментальное исследование механического поведения композитов на основе фторопласта, работающих при больших давлениях в тонких слоях

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ФТОРОПЛАСТА, РАБОТАЮЩИХ ПРИ

БОЛЬШИХ ДАВЛЕНИЯХ В ТОНКИХ СЛОЯХ

Пермь, Россия

В [1] отмечается недостаточность информации о свойствах фторопласта и композиций на его основе, что сдерживает эффективность их использования в различных сферах применения, в частности – в качестве материала тонкого антифрикционного слоя для опорных частей пролетных строений мостов: не приводится данных по несущей способности в условиях стесненного сжатия, хладотекучести и прочим важным характеристикам.

Объекты экспериментального исследования данной работы: фторопласт Ф-4, полученный разными способами изготовления (экструзия и горячее прессование с различными предельными давлениями); Ф-4, модифицированный гамма-излучением; композиции МАК (, Пермь) на основе Ф-4 с дисульфидом молибдена и частицами бронзы разной формы (дендритная, сферическая), полученные при разных давлениях прессования.

Определение твердости

Определение твердости материалов проведено при температуре (25±1)оС на испытательной машине Zwick Z100SN5A в соответствии с требованиями ГОСТ 4670-91 [2].

Использовался шарик диаметром 5 мм. Последовательность нагружения: задавалась предварительная нагрузка 9.8 Н, которая поддерживалась на этом уровне в течение 30 сек, затем со скоростью нагружения 5 мм/мин шарик вдавливался в материал до уровня нагрузки 132 Н, эта нагрузка выдерживалась постоянной в течение 30 сек, затем со скоростью 5 мм/мин образец разгружался до уровня нагрузки 9.8 Н, которая также поддерживалась постоянной в течение 30 сек. Регистрировались полные истории приложенной силы и глубины вдавливания с помощью экстензометра Multisens (см. рис.1).

Рис. 1. Схема графической обработки диаграммы измерения твердости

В табл.1 для оценки неупругих свойств материала при этом виде испытаний по диаграммам «Приложенная сила – Глубина внедрения» приведены средние значения твердости с доверительными интервалами (доверительная вероятность Рд=0.95), а также относительные доли глубины внедрения (к полной глубине внедрения шарика) dползуч , dразгр и dвосст , определенные согласно характерных угловых точек диаграммы рис. 1 и косвенно характеризующие разные составляющие упругой и неупругой деформации исследованных полимеров:

-  dползуч = (Г2– Г1)/Г2 – отношение приращения глубины внедрения при сохранении постоянной нагрузки 132 Н к максимальной глубине внедрения;

-  dразгр = (Г2– Г3)/Г2 – отношение приращения глубины внедрения при уменьшении нагрузки 132 Н до 9.8 Н к максимальной глубине внедрения;

-  dвосст = (Г3– Г4)/Г2 – отношение приращения глубины внедрения при сохранении постоянной нагрузки 9.8 Н к максимальной глубине внедрения;

-  dостат = Г4/Г2 – отношение остаточной глубины внедрения к максимальной глубине внедрения.

Очевидно, что dразгр + dвосст + dостат = 1.

Таблица 1

Твердость и относительные доли глубины внедрения шарика

Материал	Число опытов	Твердость, Н/мм2	Доля dползуч, %	Доля dразгр, %	Доля dвосст, %	Доля dостат, %
Ф-4 экструдированный.	6	27.7±1.9	22.4±0.5	33.4±2.0	17.5±0.7	49.1±1.8
Ф-4, Fпресс=20 МПа	10	31.1±0.8	21.1±0.5	33.0±1.0	14.6±0.6	52.4±0.9
Ф-4, Fпресс=30 МПа	10	32.3±0.8	21.6±0.5	33.6±2.2	14.4±1.3	52.1±2.5
Ф-4, Fпресс=40 МПа	10	31.9±0.7	22.3±0.5	32.4±1.3	14.4±1.4	53.3±1.3
МАК	9	38.9±1.6	22.1±0.6	33.6±2.6	15.5±2.0	50.9±3.6
Ф-4 модифицированный	6	48.3±1.4	9.8±0.7	56.1±2.0	13.0±0.6	30.9±2.4

Испытания при свободном и стесненном сжатии

Для обеспечения трехмерной неупругой модели механического поведения материала в диапазоне рабочих деформаций и напряжений основное внимание уделено выявлению реологических особенностей поведения исследуемых антифрикционных материалов (способность к релаксации, ползучести, развитию остаточных деформаций) в опытах со свободным (одноосное напряженное состояние – ОНС) и стесненным (одноосное деформированное состояние – ОДС) сжатием при различных сложных многоступенчатых режимах деформирования с разгрузками (деформации при ОНС – до 10 %, напряжения при ОДС – до 160 МПа).

Испытания в условиях свободного сжатия проведены на образцах диаметром 20 мм и длиной 20 мм при температуре (25±1)оС на испытательной машине Zwick Z100SN5A с минимизацией трения на торцах образца и с измерением деформаций на базе однородного деформирования экстензометром Multisens. На фото рис.2 показан реализованное состояние образца в ходе испытания.

На рис. 3-4 приведены результаты испытаний Ф-4 и МАК с разными скоростями деформирования при одноступенчатом нагружении с участком релаксации и восстановления при остановленном подвижном захвате. Достичь равновесного нагружения не удалось даже при скорости деформации 2.7610-4 1/мин - релаксация в течение 15 мин дает падение напряжения на 1.23 МПа, восстановление напряжения после разгрузки в течение 15 мин составило 0.62 МПа.

Рис. 2. Испытание образца фторопласта Ф-4 при ОНС

Программы многоступенчатого сжатия содержали участки релаксации и восстановления с временами выдержки 15 мин для выявления природы деформаций этих материалов. Диаграмма и история такого нагружения для материала МАК показаны на рис. 5.

а) б)

Рис. 3. Полные диаграммы сжатия, релаксации, разгрузки и восстановления при разных скоростях деформирования; а) Ф-4, экструдированный, б) МАК с бронзой (сфера),

а) б)

Рис. 4. Полные истории напряжения сжатия, релаксации, разгрузки и восстановления при разных скоростях деформирования; а) Ф-4 экструдированный, б) МАК бронзой (сфера)

а) б)

Рис. 5. Диаграмма а) и история напряжения б) при четырехступенчатом нагружении с

участками релаксации и восстановления в условиях свободного сжатия МАК

Так как материал тонких слоев скольжения опорных частей с шаровым сегментом работает, в основном, при высоких удельных давлениях стесненного сжатия, проведены сравнительные испытания материалов в этих условиях. Испытывались образцы диаметром 20 мм и длиной 20 мм при температуре (25±1)оС в специальном приспособлении с жесткой стальной обоймой (см. рис. 6) на испытательной машине Zwick Z100SN5A при измерении относительного смещения штоков приспособления экстензометром Multisens.

Рис. 6 –Испытания образца фторопласта в приспособление для реализации ОДС

Программы многоступенчатого сжатия до максимальной величины напряжения (100÷160) МПа также содержали участки релаксации и восстановления с временами выдержки 15 мин для выявления природы деформаций этих материалов. Диаграммы таких нагружений при стесненном сжатии для Ф-4 и МАК показаны на рис. 7, для модифицированного Ф-4 диаграмма и история осевого напряжения приведены на рис. 8.

а) б)

Рис. 7. Диаграммы многоступенчатого нагружения с учаастками релаксации и

восстановления в условиях ОДСдля материалов Ф-4 а) и МАК б)

а) б)

Рис. 8. Диаграмма многоступенчатого нагружения а) и история осевого напряжения б) с участками релаксации и восстановления в условиях ОДС для модифицированного Ф-4

Заключение

Сравнительный анализ испытанных материалов выполнен по характеристикам твердости, проявлениям неупругого поведения в испытаниях на твердость, оценкам нелинейного увеличения жесткости в условиях ОДС при циклировании нагрузки и при её увеличении, по нелинейной жесткости материалов в условиях ОНС.

Все исследованные материалы за исключением модифицированного фторопласта в рассмотренном диапазоне деформаций и нагрузок являются вязкоупругопластичными средами с явно выраженными обратимыми с течением времени и необратимыми компонентами деформаций [3] при всех схемах испытаний.

В условиях стесненного сжатия (ОДС) при высоких уровнях давления происходит доуплотнение немодифицированных фторпластов и их композиций, прессуемых при повышенных температурах и давлениях до 40 МПа с появлением остаточных деформаций объёма (рис. 7). Циклирование нагрузки с повышением напряжений приводит к стабилизации плотности и жесткости при существенно нелинейном характере диаграммы сжатия с упрочнением.

Существенно бо̀льшая жесткость на сжатие при ОДС, которую можно охарактеризовать касательным модулем М º σ/ε = (2 ÷ 5) ГПа (σ – осевое напряжение сжатия, ε – осевая деформация сжатия = измеряемое приращение осевого перемещения / длину образца l0 с поправками на жесткость приспособления), отражает практическую возможность работы этих материалов в тонких слоях при уровнях контактного давления порядка (50 ÷ 100) МПа. В условиях же ОНС согласно приложения 1 [4] модуль Юнга Е оценивается величиной (0.4 ÷ 0.8) ГПа, а прочность при разрыве незакаленного образца > 27 МПа (марка С).

Модифицированный фторопласт при ОДС обладает практически линейным термоупругим поведением (наблюдаемая петля гистерезиса и релаксационный процесс на рис. 8 обусловлены термоупругой связанностью процесса и влиянием сдвиговых компонент деформации). При ОНС модифицированный фторопласт обладает существенно меньшими полностью необратимыми компонентами деформации.

По результатам испытаний при ОНС и ОДС разработана методика идентификации и в качестве первого приближения идентифицирована модель деформационной теории пластичности с линейной упругой объёмной сжимаемостью для трех материалов.

Для построения общих реологических моделей механического поведения исследованных материалов типа модели [3] планируется использование методических наработок, изложенных в [5] и модифицированных на случай существования вязких необратимых компонент деформации.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта -1-1004 Программы фундаментальных исследований ОЭММиПУ РАН «Многоуровневое исследование свойств и поведения перспективных материалов для современных узлов трения», рук. акад.  и в рамках Программы поддержки ведущих научных школ (НШ-5389.2012.1).

Литература

1. “А так ли уж выгодны недостатки ГОСТ «Фторопласт-4. Технические условия»?” 09.07.10. http://jino. /materialy-uplotnenij/a-tak-li-uzh-vygodny-nedostatki-gostftoroplast-4-tekhnicheskie-usloviya; http://.

2. ГОСТ 4670-91 (ИСО 2039/1-87). Пластмассы. Определение твердости. Метод вдавливания шарика. / Комитет стандартизации и метрологии СССР. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 8 с.

3. Гольдман ёмное деформирование пластмасс. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. – 232 с.

4. ГОСТ . Фторопласт-4. Технические условия. / – М.: , 2005. – 15 с

5. Методы прикладной вязкоупругости / , , – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 411 с.