Концентрации напряжения

Автомобильная промышленность — основной потребитель полипропилена, перерабатываемого литьем под давлением. В 1970 г. в среднем на один автомобиль расходовалось около 6,8 кг этого полимера. Большая часть полипропилена используется для внутренней отделки; отлитые детали окрашивают в цвет, сочетающийся с внутренней окраской и тканями автомашин. Литье под давлением может быть осуществлено после предварительного смешения компонентов или прямого дозирования отдельных компонентов в бункер экструдера. Этот метод дает высокую экономию и возможность выбора оптимальной концентрации наполнителя для специальных целей.

ббычнй Характеризующаяся повышенной адсорбционной активностью, окружена полимерным чехлом из ориентированных структурных элементов, обладающих более высокой прочностью по сравнению с полимером в объеме. При незначительной степени наполнения в системе ее свойства определяются свойствами дисперсионной среды. Высокая степень наполнения системы приводит к возникновению цепочек или сетки из частиц дисперсной фазы, разделенных прослойками раствора или чистого полимера. С повышением дисперсности, особенно ани-зодиаметричности частиц наполнителя, уменьшается степень концентрации наполнителя, при которой образуется пространственная сетка. Вместе с тем наполнение полимера выше оптимальной нормы значительно ухудшает его прочностные свойства.

Приведенный в гл. 1 обзор представлений о процессах теплопе-реноса в высокомолекулярных веществах показал, что даже для ненаполненных полимеров, которые относятся к гомогенным системам, эти процессы выглядят достаточно сложными. Совершенно очевидно, что для наполненных полимеров, как гетерогенных систем, процессы теплопереноса представляются еще более сложными вследствие дополнительных конформаций структурных образований на границе полимер — наполнитель. Одним из первых подтверждений такой точки зрения явились результаты исследований теплопроводности фрикционных материалов 1[Л. 80], анализ которых обнаруживает нарушение правил аддитивности при .составлении композиции из дисперсного высокотеплопроводного порошка и полимера. Так, введение в полимер 10% алюминиевого и 25% графитового порошков по массе повышает теплопроводность всего до 0,58 Вт/(м-°С). В то же время .по данным [Л. 81] композиция на основе полиэфирного компаунда МБК и 50% малотеплопроводного маршалита по весу имеет теплопроводность порядка 0,77 'Вт/(м-°С). Такие же странные на первый взгляд результаты опытных данных наблюдаются и при исследовании теплопроводности компаундов, применяемых для заливки электронного оборудования (Л. 82]. Так, эпоксидный компаунд, наполненный до 80% по массе дисперсным алюминием с размером частиц 30 меш, имеет теплопроводность порядка 2,5 Вт/(м-°С), в то время как при введении 90% более высокотеплопроводного медного порошка теплопроводность не превышает 1,6 Вт/(м-*С). Причиной таких аномалий является объемный эффект, обусловленный формой и размером частиц наполнителя. Основной смысл объемного эффекта заключается в том, что увеличение теплопроводности через материал частиц наполнителя имеет меньший вклад, чем снижение теплопроводности через полимерные прослойки между частицами. Отсюда суммарная теплопроводность композиции растет интенсивнее при введении большого числа частиц, т. е. при повышении объемной концентрации наполнителя в полимере.

нителя уменьшение fp объясняется ростом числа надмолекулярных структурных элементов, связанных с поверхностью наполнителя, и уменьшением влияния их подвижности на величину ср. Подтверждением такого положения служит факт повышения ср при введении в эпоксидную смолу с кварцевым песком пластификаторов, поскольку в этом случае снижается межмолекулярное взаимодействие в объеме полимера и повышается подвижность надмолекулярных структурных элементов. Ограниченный прирост увеличения теплопроводности при малых наполнениях полимера авторы объясняют тем, что теплопере-нос осуществляется полностью посредством полимерной матрицы, интенсивно рассеивающей тепловой поток. Увеличение теплопроводности с повышением концентрации наполнителя относится за счет превалирующего влияния в теплопроводности системы теплопроводности наполнителя. Однако указанная модельная схема теплопере-носа наполненных полимерных систем (Л. 37, 87] несмотря на ряд достоинств носит чисто .гипотетический характер, а поэтому о ее практической ценности можно судить лишь после проведения специальных исследований.

Наличие связи между структурой и теплофизическими свойствами наполненных полимеров находит свое подтверждение при рассмотрении влияния на них степени дисперсности наполнителя {Л. 88]. Экспериментально установлено, что наполнитель с большим размером частиц и, следовательно, меньшей общей -поверхностью взаимодействия с полимером высокоэлектрического состояния снижает скорость роста Ср при увеличении концентрации наполнителя. Такой характер формирования Ср вызван, очевидно, замораживанием процесса непосредственного взаимодействия элементов надмолекулярных образований с поверхностью наполнителя.

Большинство экспериментальных исследований теплофизических характеристик наполненных полимеров [Л. 36, 37, 87, 88] подтверждают положения установленного правила объемного эффекта. Указанные работы имеют идентификацию результатов по вопросу о наличии переходных областей на температурных кривых теплофизических свойств, характеризующих фазовые изменения в системе полимера с наполнителем. При этом величина перехода зависит от концентрации и дисперсности наполнителя. Однако необходимо отметить, что для систем с практически одинаковыми компонентами (аморфный полимер и активный наполнитель) {Л. 87—89] получены диаметрально противоположные результаты. Так, в работах {Л. 87, 88] абсолютное значение Ср с повышением объемной концентрации наполнителя уменьшается, что объясняется замораживанием кинетических элементов структурных образований полимера в стеклообразном состоянии. В то же время в работе (Л. 89] введение наполнителя вызывает вначале рост, а затем падение ср, что относится за счет образования рыхлой структуры полимера и увеличения числа внутренних степеней свободы элементов. Такая несогласованность результатов для систем, близких по своим свойствам, может быть объяснена различными условиями проведения опытов или вызвана нарушением технологии приготовления объектов исследований. Все это свидетельствует о сложности установления связи между структурными изменениями в наполненных полимерах и кинетикой формирования их теплофизических характеристик.

Рис. 3-6. Зависимость относительного термического сопротивления клеевой прослойки толщиной 0,3 мм от концентрации наполнителя.

через частицы наполнителя компенсируется сопротивлением теплопереносу через прослойки связующего. Дальнейшее повышение концентрации наполнителя приводит к значительному снижению значений сопротивления /?н за счет сокращения вклада от сопротивления теплопереносу через прослойки связующего.

при более высоких степенях концентрации наполнителя обусловлены, по-видимому, изменением структуры надмолекулярных образований вокруг частиц и их упаковкой. О пригодности принятой модели для клеевых прослоек с концентрацией наполнителя до 40% свидетельствуют результаты обработки экспериментальных данных различных авторов, приведенные на рис. 3-7.

рбшком С-3. Природа появления сингулярной точки объясняется, по-видимому, образованием такой каркасной структуры, в которой расстояние между частицами наполнителя соизмеримо с размерами макромолекул, ответственных за передачу тепла. Вокруг частиц наполнителя при этом образуется рыхлая структура, по своим размерам и форме близкая частицам структуры, приведенной на рис. 3-9. Подтверждением указанной точки зрения могут служить результаты испытаний клеевых .соединений на прочность при сдвиге (рис. 3-8). При малом наполнении структурообразование связующего под влиянием наполнителя не играет заметной роли, поскольку прослойки из связующего между частицами наполнителя имеют значительную толщину. При повышении концентрации наполнителя практически вся или во всяком случае большая часть связующего переходит в пленочное состояние, обеспечивающее эффект повышения прочности и теплопроводности системы. На концентрационных кривых прочности и в этом случае обнаруживается максимум, практически соответствующий сингулярной точке на концентрационных кривых термического сопротивления во всем интервале составов. Дальнейшее введение наполнителя приводит к появлению отмеченной выше рыхлой и нечетко выявленной структуры с различного рода дислокациями типа микронепроклеев между частицами наполнителя, о чем свидетельствует снижение прочности соединений.

Увеличение скорости нарастания внутренних напряжений и их максимального значения с ростом концентрации наполнителя объясняется снижением скорости развития релаксационных процессов на стадии отвержде-

а - теоретический коэффициент концентрации напряжения;

а(ст) - коэффициент концентрации напряжения в сварном соединении.

лостную и динамическую прочность, так как могут служить местами концентрации напряжения. При переменной нагрузке эти включения часто облегчают возникновение трещин усталости.

П42. Эффективные коэффициенты концентрации напряжения при изгибе и кручении для валов и осей

где k3 — эффективный коэффициент концентрации напряжения; dm — внутренний диаметр резьбы, равный из тригонометрических соотношений

Эффективный коэффициент концентрации напряжения k3 является в данном случае функцией величины рь:

Местные напряжения с учетом концентрации напряжения у основания зуба определяют по формуле

ния КПД, выбран равным 3° (резьба с углом наклона профиля 0° неудобна в изготовлении), угол наклона нерабочей стороны профиля 30°, предусмотрен значительный радиус закругления впадины для снижения концентрации напряжения. Рабочая высота профиля Н\ = 0,75Р.

Источник концентрации напряжения Диаметр вала, мм 35, Ст5 (т„;г500 45, Стб о„>60() 45 закалка о„>850 40Х, закалка о„:>кюо

конструкции в этом случае будет определяться величиной действующих циклических напряжений, частою;] циклов, величиной теоретического коэффициента концентрации напряжения в концентраторе, агрессивностью перекачиваемого продукта, механическими свойствами металла трубь.

Кв — эффективный коэффициент концентрации напряжения; для углеродистых старей К0 = 3,0-г-4,5; для легированных сталей Кв — — 4,0-5-5,5; большие значения относятся к болтам с d^=24 мм; для резьб, изготовляемых накаткой, указанные значения /С0 уменьшают на 20—50%; оа — амплитуда цикла.