Виноградов В. М.
«Полимерные композиционные материалы»
Напряжения являются мерой интенсивности внутренних сил. Они всегда действуют внутри тела и поэтому не нуждаются в дополнительном прилагательном «внутренние».
Под технологическими напряжениями понимают напряжения, которые возникают в полуфабрикате полимерного материала в процессе изготовления деталей, и остаются в них после изготовления.
Технологические напряжения подразделяют на временные и остаточные.
Временные напряжения появляются в деталях на стадии формования в результате действия на полуфабрикат полимерного материала внешних сил, тепло-, массо- и ионного обмена его с окружающей средой, не одновременно протекающих в материале физических и химических процессов (кристаллизация, отверждение), сопровождающихся изменением объема. Они пропадают после завершения указанных выше процессов и преобразуются в остаточные напряжения.
Остаточные напряжения остаются в деталях после прекращения воздействия внешних факторов, завершения в материале физических и химических процессов и сопровождают детали в течение всего срока их жизни, улучшая или ухудшая эксплуатационные характеристики.
Технологические напряжения в зависимости от причин, вызвавших их появление, подразделяют на механические, термические, диффузионные, ионообменные, кристаллизационные и химические усадочные.
Временные напряжения уравновешены либо в объеме детали, либо в системе деталь-формообразующая оснастка.
Остаточные напряжения уравновешены в объеме материала детали. В зависимости от размеров объема детали, в котором уравновешены остаточные напряжения, их разделяют на три группы:
• макроскопические напряжения (напряжения 1-го рода);
• микроскопические напряжения (напряжения 2-го рода);
• субмикроскопические напряжения (напряжения 3-го рода).
Макроскопические остаточные напряжения уравновешены в объеме, размеры которого соизмеримы с размерами деталей (рис.1).
Рис. 1. Характер распределения в детали макроскопических остаточных напряжений (+ — напряжения растяжения; - — напряжения сжатия)
Размеры объемов, в которых уравновешены микроскопические напряжения, сопоставимы с размерами компонентов, составляющих этот объем (рис. 2).
Субмикронапряжения уравновешены в микрообъемах, соизмеримых с размерами межатомных и межмолекулярных расстояний.
Напряжения 1-го и 2-го родов имеют энергетический характер, 3-го рода могут иметь как энтропийный, так и энергетический характер.
Рис. 2. Характер распределения осевых микроскопических остаточных напряжений в системе волокно-матрица
При проведении технологического процесса преобразование временных напряжений в остаточные происходит только в том случае, если имеют место следующие условия:
• временные напряжения, вызванные различными причинами, должны быть неравномерно распределенными в объеме материала;
• в наиболее напряженных местах временные напряжения должны превысить предел текучести (вынужденной эластичности, рекристаллизации) материала;
• фазы гетерофазных материалов должны иметь различные термоупругие свойства;
• в материале детали должны быть заморожены неравновесные конформации макромолекул.
Для деталей, изготовленных из ПКМ, наиболее характерны и опасны остаточные напряжения, вызванные микро- и макроанизотропией термоупругих свойств материала. Волокнистый наполнитель и матрица ПКМ имеют резко отличающиеся друг от друга коэффициенты термического расширения. Поэтому в процессе отверждения термореактивного связующего и последующего охлаждения в матрице ПКМ возникает сложное напряженное состояние. Каждый микрообъем матрицы, окружающий волокно, растянут в окружном и осевом направлениях и сжат в радиальном направлении. На границе раздела с волокном в матрице действуют касательные напряжения, а само волокно оказывается сжатым. Напряженное состояние матрицы реальных АП в еще большей степени усложняется, поскольку происходит суммирование полей напряжений, возникающих вокруг соседних волокон.
Рис. 3. Модели однонаправленных АП: а — квадратная упаковка наполнителя; б — треугольная упаковка наполнителя (1 — блок связующего; 2 — волокна; D — диаметр волокна; а — расстояние между волокнами)
На модельных образцах представляющих собой блок матрицы, внутри которого находятся четыре стержня, имитирующих волокнистый наполнитель, расположенные в углах тетрагональной или гексагональной решетки (рис.3), объемное содержание которых изменяли в диапазоне 0,45-0,85, показано, что в рассматриваемом диапазоне наполнения направление и знак осевых напряжений остается неизменным, а знак радиальных остаточных напряжений при подходе к точке пересечения диагоналей квадрата или высот треугольника изменяется на обратный (рис.4).
Поэтому в некоторой серединной области матрицы при тетрагональной или гексагональной упаковке волокон действуют напряжения всестороннего растяжения, а по контурам волокон — максимальные радиальные сжимающие и окружные растягивающие напряжения. В зависимости от степени наполнения взаимное влияние волокон вызывает увеличение напряжений в 2,5-3 раза. При одном и том же отношении a/D (рис.3) напряжения в сечении АС в материалах с гексагональной упаковкой волокон оказываются на 5-20% выше, чем с тетрагональной упаковкой из-за более близкого их расположения.
Рис. 4. Остаточные радиальные σрад и окружные σокр напряжения в однонаправленном АП: а — в направлении АВ для тетрагональной упаковки волокон (см. рис. 3); б — в направлении АС для той же упаковки
Под действием такого рода термических микронапряжений в матрице появляются микротрещины и происходит отслаивание ее от волокон. В результате резко повышается водопоглощение ПКМ, ухудшаются диэлектрические свойства и длительная прочность материала. При определенных степенях наполнения возможна потеря устойчивости волокон, приводящая к резкому снижению упругих и прочностных свойств ПКМ.
Наиболее действенными способами уменьшения микроостаточных напряжений являются:
• нанесение на поверхность волокон тонкой пленки эластичного аппрета, облегчающего релаксацию микронапряжений;
• в процессе охлаждения отформованной детали, начиная с температуры стеклования матрицы, рекомендуется снижать температуру термостата ступенчато, с выдержкой на каждой ступени. Тем самым обеспечивается постепенная релаксация термических микронапряжений, возникающих на каждой ступени охлаждения;
• перед проведением технологического цикла волокна в однонаправленном АП подвергают растяжению. Растягивающую нагрузку снимают после охлаждения детали. В процессе разгрузки волокна сжимают матрицу в осевом направлении, сами оставаясь растянутыми. При этом в матрице несколько увеличиваются растягивающие окружные напряжения, но одновременно растягивающие осевые микронапряжения преобразуются в сжимающие. В результате в направлении ориентации волокон значительно повышаются упругие и прочностные свойства АП;
• импульсный локальный нагрев электропроводящего волокнистого наполнителя путем пропускания электрического тока после охлаждения детали. Во время импульсного воздействия тока вокруг каждого волокна нагреваются тонкие слои наиболее напряженной части матрицы, в которых с высокой скоростью протекают релаксационные процессы.
Для материала деталей, изготовленных из армированных пластиков, характерно несколько видов макроанизотропии термоупругих свойств, которая создается либо целенаправленно, путем ориентации длинномерных волокнистых структур в заданном конструктором направлении в целях получения материала с необходимыми эксплуатационными характеристиками, либо возникает в процессе формования деталей вследствие ориентации коротких волокон или анизометричных частиц дисперсного наполнителя при течении полуфабриката ПКМ в формообразующей оснастке.
При формировании пакета-заготовки из препрега на основе шпона, термоупругие свойства которого в направлении ориентации волокон резко отличается от аналогичных свойств в перпендикулярном направлении, для получения материала с заданными характеристиками каждый последующий слой препрега поворачивают относительно предыдущего на некоторый угол. В отформованных из таких заготовок пластинках появляются межслойные макроскопические термические остаточные напряжения (рис. 5), которые при несоблюдении определенных правил приводят либо к короблению детали, либо к образованию в матрице макроскопических трещин.
Рис.5. Схема распределения межслойных напряжений в трехслойном АП: 1 — продольные слои; 2 — поперечные слои шпона
Отмеченные выше дефекты могут быть предотвращены, если в процессе сборки пакета из шпона придерживаться следующих правил:
• собираемые пакеты должны быть уравновешенными (симметричными);
• не рекомендуется в процессе сборки пакета резко изменять направление ориентации волокон в соприкасающихся слоях заготовки.
Пакеты считаются уравновешенными, если каждому его слою, лежащему выше срединной поверхности, соответствует слой с таким же направлением ориентации волокон, расположенный ниже этой поверхности, и отстоящий от этой поверхности на такое же расстояние.
Детали, отформованные из неуравновешенных пакетов, в процессе охлаждения искривляются. Причем при снижении температуры кривизна детали возрастает по закону равнобочной гиперболы.
В деталях, отформованных из уравновешенных пакетов, в которых угол разориентации волокон в соседних слоях велик, возникают большие межслойные напряжения, приводящие к образованию в матрице межслоевых трещин и трещин прорастающих вдоль волокон.
Рис.6. Поперечное сечение ткани сатинового переплетения: а — лицевой слой; б — изнаночный слой; 1 — нити утка; 2 — нити основы
Аналогичные проблемы возникают и в ПКМ, армированных тканями сатинового переплетения. Сатиновые ткани имеют неуравновешенную, несимметричную структуру (рис. 6), а технологи в этих тканях различают лицевую и изнаночную стороны. Для предотвращения искривления плоских деталей при сборке пакетов слои ткани сатинового переплетения укладывают таким образом, чтобы при одинаковых направлениях ориентации волокон нитей основы и утка в слоях пакета они соприкасались идентичными сторонами.
Значительные термические напряжения и деформации характерны для деталей, ПКМ которых цилиндрической анизотропией термоупругих свойств (ЦАТУС). Такие свойства имеет материал криволинейных участков деталей, изготовленных из ПКМ, армированных жгутами, лентами, шпоном и ткаными. Термоупругие свойства ПКМ в окружном направлении криволинейных участков таких деталей значительно отличается от термоупругих свойств этих же участков в радиальном направлении.
Рис. 7. Характер распределения радиальных σрад и окружных σокр напряжений в толстостенном кольце с цилиндрической анизотропией термоупругих свойств
Если деталь многосвязная, например, имеет конфигурацию цилиндрической трубы (рис. 7), то охлаждение ее сопровождается появлением окружных и радиальных напряжений, уравновешенных в стенке детали. Окружные напряжения имеют на наружной поверхности трубы знак сжатия, на внутренней — растяжения. Радиальные напряжения на обеих поверхностях трубы равны нулю и достигают максимальной растягивающей величины в центре стенки.
Несмотря на то что максимальные окружные напряжения в два-три раза превышают радиальные, наиболее опасными являются последние, так как они действуют в направлении, перпендикулярном направлению ориентации армирующих волокон, в котором АП имеет минимальные прочностные характеристики.
Рис. 8. Зависимость экстремальных окружных напряжений (а) и максимальных радиальных (б) в кольцах с цилиндрической анизотропией свойств от соотношения наружного и внутреннего радиусов
Под действием радиальной компоненты термических напряжений в толстостенных деталях при охлаждении образуются кольцевые трещины, число и протяженность которых возрастает с увеличением толщины детали (рис. 8), температуры отверждения и разности коэффициентов термического расширершя материала в радиальном и окружном направлениях.
Абсолютные значения остаточных окружных напряжений невелики и составляют 10-15% от разрушающего напряжения материала в направлении ориентации волокон. Значительно более опасны растягивающие радиальные напряжения. Их величина в толстостенных трубах соизмерима с разрушающим напряжением АП при растяжении перпендикулярно плоскости расположения упрочняющих волокон. Эти напряжения мало отражаются на несущей способности труб, работающих под внутренним давлением, но могут вызвать снижение критической нагрузки при гидростатическом обжатии детали и прочности при действии внешних сил, вызывающих появление в средних слоях детали межслойных касательных напряжений.
Характер распределения остаточных напряжений в трубах становится еще более сложным, если в процессе формования производится растяжение волокон, как, например, при изготовлении деталей, имеющих форму тел вращения, намоткой на оправку непрерывного пучка волокон, предварительно пропитанных связующим. Вследствие натяжения слои препрега оказывают давление на нижележащие слои, уплотняя и обеспечивая склеивание их между собой. Если вести намотку с линейно возрастающим натяжением, нагревая связующее до вязкотекучего состояния и наматывая препрег на подогреваемую оправку, то в стенке детали будут сформированы механические остаточные напряжения, характер распределения которых противоположен распределению термических напряжений, поэтому первые, суммируясь с термическими, компенсируют их.
В толстостенных деталях при значительных усилиях натяжения вследствие отжима связующего может полностью изменится задаваемое при намотке напряженное состояние. В таких случаях прибегают к послойной намотке, в процессе которой последующие несколько слоев препрега наматывают после предварительного отверждения предыдущих. Таким образом предотвращается перетекание связующего из слоя в слой в радиальном и осевом направлениях детали и обеспечивается создание заданного характера распределения механических напряжений.
Значительное влияние на величину остаточных напряжений оказывает материал, из которого изготовлена оправка. Детали, полученные на оправках с высоким коэффициентом термического расширения, например, из алюминиевого сплава, имеют более высокие значения напряжений по сравнению с деталями, отвержденными на стальных оправках. Наименьшими напряжениями отличаются детали, наматываемые на оправки, коэффициент термического расширения которых равен коэффициенту материала детали в окружном направлении.
Остаточные напряжения в кольцеобразных деталях осесимметричны и поэтому после снятия с оправки детали сохраняют заданную форму. Если контур тонкостенной детали с ЦАТУС незамкнут, то при охлаждении на оснастке в стенке ее появляются преимущественно окружные напряжения, которые уравновешены в системе деталь-оснастка. После снятия детали с оснастки равновесие напряжений нарушается, они пропадают, одновременно уменьшается радиус криволинейной части детали, а концы незамкнутого контура сходятся. В результате изменяется форма и размеры детали (рис. 9).
Рис. 9. Характер распределения напряжений в оболочках незамкнутой формы из слоистых пластиков перед извлечением их из оснастки (а) и деформирование детали после извлечения из оснастки (б); 1 — пуансон (матрица); 2 — деталь; 3 — эластичная диафрагма; 4 — прижимное кольцо. Пунктиром показан контур детали до снятия с оправки
Для получения деталей заданной конфигурации ее изготавливают на оснастке, размеры которой увеличивают на величину формоизменяющих деталь деформаций, возникающих под действием технологических напряжений.
Своеобразная анизотропия термоупругих свойств характерна для толстостенных плоских деталей, получаемых прессованием. В слоях пакета-заготовки, соприкасающихся с обогреваевыми плитами пресс-формы, связующее быстрее теряет текучесть по сравнению с центральными слоями, связующее в которых более длительное время находится в вязкотекучем состоянии. В результате этого за счет более длительного вытекания связующего различие в содержании матричной фазы в поверхностных и центральных слоях материала пластины может достичь 4-6% и увеличивается с ростом толщины детали.
Вследствие этого показатели термоупругих свойств по толщине детали оказываются неодинаковыми: модуль упругости центральных слоев, содержащих большее количество наполнителя, будет выше, чем наружных слоев, а коэффициент термического расширения — ниже. При охлаждении в пластине возникают остаточные напряжения, характер распределения которых представлен на рис. 10.
Рис. 10. Характер распределения термоупругих свойств по толщине детали (а) и эпюра остаточных напряжений в ней после охлаждения
Для снижения остаточных напряжений толстостенные плиты получают либо методом послойного прессования, либо в пакеты-заготовки вводят дополнительные нагревательные элементы, которые остаются в теле плиты, снижающие температурные градиенты по толщине детали и тем самым выравнивающие времена вытекания связующих) из различных слоев пакета-заготовки.
В деталях из волокнитов и слоистых пластиков возникает еще один вид остаточных напряжений, вызванных упругим деформированием волокнистых структур. Деформации волокнистых структур в процессе уплотнения в пресс-форме складывается из необратимой и упругой составляющих. Необратимая составляющая вызвана перемещением волокон в более устойчивое положение и разрушением волокна. При небольших давлениях происходит изгибание пучков и нитей, в волокнах преобладают напряжения изгиба. При более высоких давлениях увеличиваются число и площадь зон контакта между элементарными волокнами, в наполнителе преобладают контактные напряжения. Зафиксированные под давлением отвержденным связующим деформации изгиба и сжатия волокон и соответствующие им напряжения после снятия давления уравновешиваются напряжениями, возникающими в матрице. Такого рода напряжения проявляются в процессе хранения деталей и особенно при термообработке: в результате релаксации напряжений заметно возрастает толщина деталей в направлении давления прессования.
В процессе формования деталей из полуфабрикатов, наполненных дисперсными частицами, под действием давления происходит упругое деформирование частиц. После отвержения связующего и снятия давления частицы восстанавливают первоначальную форму, нагружая матричную фазу. При определенном давлении формования напряжения в матричной фазе превышает значение разрушающей величины — в матрице появляются трещины, снижающие плотность ПКМ и увеличивающие его пористость и водопоглощение. Поэтому допустимое давление формования деталей из наполненных упругими дисперсными частицами ПКМ не должно превышать 25-30 МПа.
Макроанизотропию термоупругих свойств имеют детали из наполненных короткими волокнами ПКМ, изготовленные литьем под давлением или литьевым прессованием. Наполненные короткими волокнами премиксы имеют некоторую начальную прочность при сдвиге, поэтому перемещение их по литниковым каналам и оформляющей полости осуществляется в режиме пробкового течения. Относительное перемещение слоев полуфабриката проявляется только в тех областях, где напряжение сдвига превышают его прочность. Поэтому ориентация волокон происходит только в сравнительно тонких поверхностных слоях. При линейном течении в средней части объема материла относительное перемещение слоев отсутствует. После заполнения формы и отверждении связующего ориентация волокон в поверхностных слоях детали оказывается зафиксированной. В средних слоях материала волокна расположены хаотично. В соответствии с этим коэффициент термического расширения наружных слоев в направлении ориентации волокон будет меньше коэффициента термического расширения среднего слоя, в перпендикулярном направлении существует обратное соотношение. При охлаждении в такой детали возникает сложнонапряженное состояние: наружные слои материала в направлении течения будут сжатыми, в перпендикулярном направлении — растянутыми. Во внутренних слоях материала напряжения имеют обратную картину распределения (рис.11).
Рис.11. Схема образования ориентационных остаточных напряжений при течении наполненых полимеров: 1 и 2 — эпюры распределения скоростей и напряжений сдвига при пробковом течении материала соответственно; 3 — ориентация наполнителя в потоке; а и б — ориентированные и неориентированные слои материала; 4 и 5 — эпюра распределения остаточных напряжений в охлажденном изделии по толщине в направлении течения и в перпендикулярном течению направлении соответственно
Наиболее опасны поверхностные напряжения растяжения, которые могут привести к образованию трещин, ориентированных в направлении течения полуфабриката. Такого рода напряжения отсутствуют в деталях аналогичной конфигурации, получаемых обычным прессованием.
Макроанизотропию термоупругих свойств, приводящих к появлению остаточных напряжений, приобретает и материал деталей, изготовленных из полуфабрикатов, наполненных дисперсными анизометричными частицами. Анизометричные частицы порошков талька, слюды и каолина имеют форму пластинок, толщина которых значительно меньше других размеров, поэтому они также ориентируются в поверхностных слоях деталей в направлении течения полуфабриката.
В процессе прессования наружные слои полуфабриката, соприкасающиеся со стенками пресс-формы, нагреваются и отверждаются быстрее, чем внутренние. При отверждении они оказываются необратимо растянутыми, так как уменьшению их размеров препятствуют внутренние слои, увеличивающиеся в объеме в результате нагревания и образования летучих продуктов. По мере нагревания начинают отверждаться и внутренние слои, однако теперь уменьшению их объема препятствуют ставшие уже жесткими наружные слои. Напряженное состояние детали в процессе формования и последующего охлаждения представлено на рис. 12.
Рис. 12. Характер распределения напряжений по толщине детали в процессе отверждения в пресс-форме (а) и после отверждения и охлаждения (б) (положительному направлению соответствуют напряжения растяжения); 1 — пуансон; 2 — деталь; 3 — матрица
При больших температурных градиентах в поверхностных слоях детали могут образоваться трещины, поэтому полуфабрикаты ПКМ перед формованием подвергают предварительному подогреву. Остаточные напряжения в отпрессованных деталях имеют благоприятный для условий эксплуатации характер распределения. Их величина возрастает с увеличением скорости охлаждения.
На величину и характер распределения остаточных напряжений в прессованных деталях существенное влияние оказывает оформляющая полость оснастки, находящаяся в тесном контакте с ПКМ и значительно отличающаяся от него термоупругими характеристиками. При охлаждении между поверхностью детали и оформляющей полостью действуют силы трения, препятствующие свободному изменению линейных размеров ПКМ. Напряжения растяжения на контактирующих с оснасткой поверхностями детали возрастают при уменьшении температуры, но не могут превысить удельной силы трения от, равной произведению давления формования Р на коэффициент трения. Напряжения во внутренних слоях детали меньше, поскольку в этом объеме материала релаксация напряжений может протекать более свободно. При извлечении охлажденной детали из пресс-формы временные напряжения, перераспределяясь, преобразуются в остаточные (рис. 13). Остаточные напряжения с таким характером распределения легко снимаются последующей термообработкой.
Рис. 13. Влияние оснастки на характер распределения остаточных напряжений в пластине, отверждаемой и охлаждаемой между плитами под давлением: а — схема формования пластины (1 — плиты; 2 — пластина; 3 — стол пресса); б — характер распределения усадочных σус и температурных σт напряжений; в — остаточные напряжения детали, извлеченной после охлаждения в форме под давлением
Таким образом, в деталях, изготовляемых из всех видов полуфабрикатов ПКМ известными методами формования, возникают преимущественно остаточные напряжения первого и второго рода. Причинами образования остаточных напряжений является микро- и макроанизотропия термоупругих свойств ПКМ, градиенты температур, возникающие в процессе формования детали и различие в коэффициентах термического расширения ПКМ и материала формообразующей оснастки.
Микронапряжения уменьшают поверхностной обработкой частиц наполнителя, ступенчатым охлаждением отформованной детали или механическим воздействием на волокнистый наполнитель перед формованием детали.
Межслойные остаточные напряжения, вызванные макроанизотропией термоупругих свойств АП, снижают специальными технологическими приемами, предусматривающими определенные правила сборки пакетов-заготовок.
Остаточные напряжения, вызванные макроанизотропией термоупругих свойств ПКМ, появившиеся в результате особенностей технологического процесса, — местная ориентация частиц наполнителя анизометричной формы — могут быть ликвидированы заменой методов формования, сопровождающихся течением полуфабриката (литье под давлением, литьевое прессование) на другие методы, течение полуфабриката, при использовании которых минимально, например на обычное прессование.
Остаточные напряжения, являющиеся следствием появления в полуфабрикате в процессе формования температурных градиентов и взаимодействия с поверхностью технологической оснастки, отличающейся от ПКМ коэффициентом термического расширения, могут быть снижены последующей свободной термообработкой при температуре стеклования отвержденного материала.
Источник: «Полимерные композиционные материалы», издательство Профессия
