Випробуваннягум до дії роздирання, ударного навантаження та тертя
Вступ
Тема реферату здисципліни «Контроль якості полімерних матеріалів» «Випробування гум до діїроздирання, ударного навантаження та тертя».
Дисципліна«Контроль якості полімерних матеріалів» дає знання про те, якими методами оцінюютьякість матеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивості полімернихматеріалів визначають і якість виробів і терміни їх експлуатації. Дисципліназнайомить з методами контролю якості пластмас і еластомерів, принципами і суттюцих методів, особливостями контролю того чи іншого матеріалу, а також зрозрахунками кількісних показників якості.
Мета роботи –ознайомитися з визначенням опору гум роздиранню та еластичності гум завідскоку, випробовуванням гум на стирання.
1. Визначенняопору гум роздиранню
Високоеластичномурозриву гум передують значні оборотні деформації, які викликають орієнтацій незміцнення або тяжеутворення. Особливо чітко це виявляється за роздирання гуми.Роздер може бути гладким або вузлуватим (рис. 1 ).
/>
Рис. 1. Типироздеру гум
В процесіексплуатації за деформування на поверхні гумового виробу можуть виникати тарозростатись дефекти, які пов’язані з механічними пошкодженнями (порізи,проколи, надриви тощо, а також з конструкцією виробу (кути, щілини та ін.).Вони викликають максимальне перенапруження в матеріалі, який деформується, авоно, в свою чергу, веде до втрати міцності. Зміна міцності за механічногопошкодження поверхні (надрізу, розриву) неоднакове для всіх гум: у однихміцність падає різко, у інших зменшується незначно. Це залежить від типукаучуку, властивостей та дозувань вихідних інгредієнтів та ступеню вулканізаціїкаучуку в гуму.
Тому поряд звизначенням умовної міцності гум їх випробують на міцність за спеціальноствореної шляхом надрізу максимальної концентрації напруження. При цьомувизначають показник опору роздеру В, який дорівнює відношеннюнавантаження Р, яке викликає повне руйнування зразка по місцю штучноствореної ділянки руйнування (надрізу), до початкової товщини зразка h:
/>, Н/м
Такий показник єумовним і не точним, бо дуже важко розрахувати напруження складно-напруженого станугум за роздеру (одночасно відбуваються процеси і роздирання і розтягу зразка).Крім того, показник характеризує опір матеріалу руйнуванню на ділянці змісцевою концентрацією напруження, для утворення якої практично неможливо точнопровести надріз.
Процес роздерускладається з двох стадій:
1) нестаціонарної,коли відбувається розтягування зразка, яке залежить від пружних властивостейгуми; зусилля, що розтягує, при цьому зростає до критичного значення Р,яке відповідає максимальній (критичній деформації;
2) стаціонарної,коли відбувається зростання надрізу до повного руйнування зразка.
Опір роздерузалежить від форми зразка, розміщення та довжини надрізу, тому одержаннярезультатів, які можна порівнювати, можливе тільки за використання однотипнихзразків. Для випробувань на роздер використовують зразки типів А, Б, В (рис.2). Результати, одержані на різних типах зразків зіставляти заборонено, бо вонине відповідають дійсності.
/>
/>Рис. 2. Форма зразків типів А, Б, В для випробування гум нароздирання
Зразки вирубаютьштанцевим ножем на вирубному пресі з вулканізованих пластин товщиною 2±0,2 мм.Після вулканізації необхідна обов’язкова витримка гуми. Вирубання зразківведуть таким чином, щоб зразки за довжиною відповідали напрямку каландруваннягуми. Товщина зразків з готових виробів визначається товщиною виробу, алевідхилення за товщиною зразка не повинно перевищувати ±10 %. Надріз на зразкахА та В роблять під прямим кутом по центру внутрішнього боку зразка. Йогоглибина повинна складати 0,5±0,08 мм. Він повинен бути гладким та рівним,розміщуватись строго перпендикулярно довжині зразка. Для виготовлення надрізувикористовують лезо бритви, яке закріплено в спеціальній колодці. Товщинузразка в місці надрізу визначають з допомогою товщиноміру з похибкоювимірювання не більше 0,01 мм. Глибина надрізу вимірюється мікроскопом із збільшеннямв 100 разів.
Передвипробуванням зразки кондиціонують за температури 23±2ºС не менше 1години. Кількість зразків – не менше 3.
Випробуванняпроводять на розривній машині при швидкості руху нижнього затискача 500±5 мм/хвилину. Для більшої концентраціїнапруження зразки закріплюють в затискачах машини таким чином, щоб викривленачастина розпрямилась.
Рекомендовановести випробування при 23±2ºС та при 100±2ºС. За підвищенихтемператур випробування проводять на машинах з термокамерою, прогріваючи зразкине менше 3 хвилин.
Для зразків типівА і Б опір роздеру розраховують за формулою:
гума опірміцність пошкодження
/>, Н/м,
де Р –максимальна сила, яка викликає роздер, Н;
h0 – початкова товщина зразка,м.
Для зразків типуВ розраховують структурну міцність σс та опір роздеру В:
/>, Па,
/>, Н/м,
де hта hс – фактична та стандартна (2мм) товщина зразка, м;
b — ширина не надрізаноїчастини зразка, м;
b=b– bп,
де b0– ширина зразка, м;
bп– ширина прорізу, м.
Знаходятьсередньоарифметичне значення показників для п’яти зразків та відхилення віднього. Відбраковують непридатні показники та розраховують середньоарифметичнедля тих зразків, що залишились, приймаючи для уваги, що не повинно бути менше3.
2. Визначенняеластичності гум за відскоку
Еластичністю називається здатність гумповертати частину енергії, що одержана ними за удару, поштовхів та іншихкороткочасних навантаженнях. Втрати енергії при цьому пов’язані з характернимдля гум явищем гістерезису.
Механічнаенергія, що витрачена на деформацію, частково повертається при розвантаженнізразка завдяки оборотності деформації. Втрата пружної енергії, що повертається,порівняно з витраченою механічною, пояснюється незворотним розсіюванням її ввигляді теплової енергії через процеси внутрішнього тертя в матеріалі, тобтогістерезису. За повторних деформації втрати енергії зменшуються і стаютьпрактично постійними, тому що структурні зміни, які відбуваються в гумі зоднозначних повторних деформації стабілізуються. Якщо один цикл навантаження –розвантаження проводити дуже повільно, щоб вспівала проходити релаксація,обидві криві зливаються, гістерезису не відбувається, і повернена енергія будедорівнювати витраченій. На практиці цикли деформації проводяться значно швидше,і гістерезису є невідворотним.
За однакових умовта методу випробувань показник пружно-гістерезисних властивостей залежитьтільки від структури та складу гуми. Визначаючи гістерезис, можна порівнюватиексплуатаційні характеристики гум, а також здійснювати контроль якості гуми.
Пружно-гістерезисні властивості гуми можнавизначати на розривній машині шляхом розтягу зразка до певної деформації танаступного його розвантаження при оборотному ході нижнього затискача.
Витрачена енергіяпропорційна площі фігури ОАС (рис. 3), а корисна – АВС. Площа гістерезисноїпетлі ОАВ пропорційна гістерезисним втратам. Еластичність гуми, або їїпружно-гістерезисні властивості, характеризується показником корисної пружності– відношенням поверненої (корисної) енергії до витраченої.
/>
Рис. 3. Схема визначення пружності гум здопомогою маятника
Звичайноеластичність гум визначається на приладах, які називаються пружномірами (рис. 4).
Сутністьвипробування полягає в визначенні величини відскоку бійка маятника приладу, щопадає з певної висоти на зразок, що випробується.
/>
Рис. 4. ПружномірУПМ
1 – клямка; 2 –шкали; 3 – маятник; 4 – вантаж; 5 – пружина;
7 – зразок; 8 –станина; 10 – рівень; 11 – кронштейн; 12 – стрілка;
13 – обмежувач;14 – захват; 15 – ручка.
Енергія W1, яка витрачена на деформацію зразка,дорівнює потенціальній енергії маятника, який піднято на висоту h1:
/>,
де m – маса маятника;
g – прискорення сили тяжіння;
h1 – висота падіння.
Енергія, яка повертаєтьсязразком, дорівнює:
/>,
де h2 – висота відскоку маятника.
Еластичність, абокорисна пружність, є відношенням поверненої енергії до витраченої:
Е = />, %,
де α1 – кут падіння маятника;
α2 – кут відскоку маятника.
За випробуваннязразків за підвищеної або зниженої температури пружномір встановлюють втермокріокамеру. Показник еластичності тим вищий, чим вища температуравипробування.
В пружномірахмаятник закріплюється з допомогою спеціального пристрою в двох положеннях: підкутом 90 та 60 º до вертикалі. Відповідно до цього прилад упорядкованийдвома шкалами, які відградуйовані в одиницях еластичності.
Зразками для випробування єциліндричні диски або прямокутні паралелепіпеди товщиною 5±0,25 мм та діаметромабо стороною не менше 40 мм. Поверхня зразків після вулканізації повинна бутигладенькою, без дефектів, що видно оком, побічних включень та забруднень. Длявипробування беруть не менше 2 зразків. Їх витримують після вулканізації неменше 6 годин та кондиціонують не менше 1 години за 23±2 ºС.
Для кожногозразка проводять визначення еластичності не менше як у трьох точках,розраховують середнє арифметичне для трьох замірів, а потім середнє арифметичнедля двох зразків. Допустиме відхилення складає не більше ±5 %. Результатипорівнюють з нормами, які наведено в технічних умовах на кожну гуму.
3. Випробуваннягум на стирання
В процесіексплуатації рід гумових виробів (шин, конвеєрних стрічок, пасів, взуття таін.) піддається тертю, внаслідок чого відбувається руйнування поверхневих шарівза ковзання гуми по іншому матеріалу. Це веде до зношення гумових виробів тавиходу їх з ладу, тому зносостійкість гум має велике значення за визначення їхякості.
Стирання гум – цепроцес механічного відриву її частинок під впливом місцевих напружень, яківиникають на виступах поверхні, що стирає, в процесі ковзання гуми.
Знос (стирання) характеризуєтьсявтратою маси або об’єму, яка віднесена до витраченого на тертя часу (інтенсивність)або до витраченої роботи (питоме стирання). Стирання гум є складним процесом,який супроводжується механічними та фізико-хімічними явищами. Через зносзнижується міцність гум, їх опір роздеру, змінюється модуль пружності. Можливітри механізми зносу: абразивний, втомний та фрикційний (скатування). Взвичайних умовах переважає втомний знос, який є найбільш інтенсивним. Наінтенсивність зносу впливає ряд зовнішніх факторів: температура, тиск,швидкість ковзання, відносне про ковзання, потужність тертя, навколишнєсередовище (повітря, кисень, агресивні речовини), а також вологість повітря.
Стирання гум можевідбуватись в двох режимах: ковзання (паси, стрічки) та котіння, яке характернодля шини. Відповідно до призначення гуми ці режими використовують для випробуванняїх на стирання (рис. 5).
Вірний вибірвипробування має велике значення для одержання характеристик зносостійкості,які відповідають даним експлуатації виробів. Експлуатаційні випробуваннязаймають багато часу, тому умови лабораторних випробувань, які проводятьсяпротягом 15-20 хвилин, роблять більш жорсткими. Для цього збільшують нормальнийтиск або швидкість ковзання або котіння. Випробування в режимі ковзання ведутьна спеціальній машині для тертя – випробувальній машині МИ-2.
/>
Рис. 5. Методистирання гум
а – 100 % проковзання; б, в– контролюєте ковзання;
в – бічний вид гумового кільця;
1 – гума; 2 –абразив; Х та У – відповідно напрямок руху абразиву та зразка; F — притискуюче зусилля.
Сутність методуполягає в стиранні зразків, які притиснуто до абразивної поверхні, якаобертається з постійною швидкістю диска за постійної нормальної сили.Зносостійкість можна визначити за формулою:
/>,
де l– шлях, який проходить зразок застирання;
a та n– емпіричні константи.
Зразки длявипробування виготовляють методом формування та мають певну конфігурацію ірозміри (рис. 6).
/>
Рис. 6. Зразокдля випробування гуми на стирання за ковзання
Випробують неменше 6 зразків (3 пари) за температури 23±2 ºС не раніше 16 годин та непізніше 30 діб після вулканізації. Зразки спочатку притирають не менше 15хвилин. Притерті зразки очищують від пилу щіткою, знімають з їх країв часточкигуми та зважують з похибкою не більше 0,001 г. Зважені зразки закріплюють істирають за постійної сили, яка врівноважує важіль машини. Після 200 обертівдиска, що контролюється за приладом, мотор автоматично відключається. Зразкиочищують та зважують. Втрата маси по винна бути не менше 0,5 г, інакшетривалість випробування збільшують. Для розрахунків треба знати густину даноїгуми, яку треба визначити попередньо.
Убуток об’ємурозраховують за формулою:
/>, мм3,
де m1 та m2 – маси двох зразків до тапісля випробування, кг;
ρ – густина гуми, кг/м3.
Розраховуютьроботу тертя за формулою:
/>,
де F – середнє значення сили тертя за часвипробування, Н;
l– шлях тертя, який дорівнює:
/>,
де U – швидкість ковзання по центрузразків, м’с;
t – тривалість випробування;
d– відстань між центрами зразків, м;
n – кількість обертів диска зачас випробування.
Стійкість достирання оцінюється трьома показниками:
1) стираємістю;
2) опоромстиранню;
3) питомимстиранням.
Стираємість α характеризуєзменшення об’єму двох зразків, яка відповідає одиниці роботи:
/>, м3/ТДж,
де ΔV – зменшення об’єму двох зразків;
А – робота тертя, якавитрачена на стирання двох зразків;
К – коефіцієнт, що враховуєстиральну здатність абразиву.
Опір стиранню β визначаєроботу в Дж, яка витрачена на стирання 1 мм3 гуми з поверхні в 1м2:
/>, Дж/м2
Питоме стирання Іпитхарактеризує зменшення об’єму гуми в м3 з поверхні 1м2 застирання на шляху довжиною 1 км:
/>
Розраховуютьсередньоарифметичне для менше 3 пар придатних зразків та порівнюють результат знормами для даної гуми.
Література
1. Берштейн Л.А. Лабораторный практикум по технологии резины. — Л.:Химия, 1989. — с. 120-134.
2. Захаров Н.Д. Лабораторный практикум по технологии резины. – М.:Химия, 1988. с. 28-30, 69-72..