Образец и способ испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости
Владельцы патента RU 2431128:
Шпунькин Николай Фомич (RU)
Типалин Сергей Александрович (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет "МАМИ" (RU)
Никитин Михаил Юрьевич (RU)
Настоящее изобретение относится к испытательной технике. Образец содержит, по меньшей мере, один клеевой слой, ограниченный двумя концентрическими окружностями, и соединяемые этим слоем металлические элементы, каждый из которых включает в себя зону приложения крутящего момента. Металлические элементы на всю их толщину выполнены с двумя концентрическими кольцевыми канавками разных диаметров, которые разделяют образец на три зоны: зону испытания, размещенную между канавками, и зоны приложения крутящего момента, при этом диаметры концентрических окружностей связаны зависимостью. К металлическим элементам образца, соединенным клеевым слоем, прикладывают крутящий момент и определяют характеристики механических свойств слоя образца. Технический результат: обеспечение возможности определения характеристик механических свойств клеевых слоев тонких многослойных листовых материалов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения свойств клеевых слоев в многослойных листовых материалах.
Из уровня техники известен образец для испытания листовых материалов на кручение в плоскости листа, содержащий испытуемый участок образца кольцевой формы, а также внутренний и внешний участки, один из которых в процессе испытания остается неподвижным, а другой приводится во вращение [патент РФ №2202777, 7 G01N 3/22, 20.04.2003 г., Бюл. №11].
Недостатком известного образца является невозможность определения свойств клеевых слоев в случае испытания многослойных листовых материалов.
Также известен образец для испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости, принятый за прототип, содержащий клеевой слой, ограниченный двумя концентрическими окружностями, и соединяемые этим слоем два металлических элемента, каждый из которых включает в себя зону, примыкающую к клеевому слою, и зону, к которой прикладывается крутящий момент [Д.Шилдз. Клеящие материалы: Справочник / Под ред. В.П.Батизата. - М.: Машиностроение, 1980, с.270, табл.8.1, п.15].
Недостатком известного образца является невозможность определения свойств клеевых слоев тонких склеенных листовых материалов в условиях чистого сдвига, так как к поверхности элемента в виде тонкого листа, под которым находится клеевой слой, сложно приложить крутящий момент без дополнительного нормального давления со стороны листа на этот слой, что будет приводить к снижению точности определения характеристик механических свойств слоя и отсутствию повторяемости результатов испытаний.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей испытания, в частности получение возможности определения характеристик механических свойств клеевых слоев тонких многослойных листовых материалов, посредством конструкции образца для испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости.
Для достижения указанного технического результата образец для испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости содержит клеевой слой, ограниченный двумя концентрическими окружностями, и соединяемые этим слоем металлические элементы, каждый из которых включает в себя зону приложения крутящего момента.
Отличительными признаками изобретения является то, что металлические элементы на всю их толщину выполнены с двумя концентрическими кольцевыми канавками разных диаметров, которые разделяют образец на три зоны: зону испытания, размещенную между канавками, и зоны приложения крутящего момента, при этом диаметры концентрических окружностей связаны следующей зависимостью
где: τ - допускаемое напряжение сдвига клея;
σT - предел текучести материала металлического элемента образца;
s - толщина металлического элемента;
D1, D2 - диаметры внутренней и внешней окружностей, ограничивающих клеевой слой.
Одна из зон приложения крутящего момента размещена внутри окружности меньшего диаметра, а другая - снаружи окружности большего диаметра.
Концентрические канавки могут быть выполнены треугольной, прямоугольной или другой формы.
Клеевых слоев между металлическими элементами может быть больше одного.
Суммарная глубина кольцевых канавок многослойного образца равна сумме толщин образца и испытуемого клеевого слоя.
Отличительным признаком изобретения является также то, что крутящий момент прикладывают вне зоны испытуемого клеевого слоя.
Расширение возможностей испытания достигается за счет того, что зоны приложения крутящего момента располагаются за пределами зоны испытания клеевого слоя, ограниченного концентрическими окружностями. Такое расположение позволяет проводить испытания склеенных тонколистовых материалов, нагружая клеевой слой только напряжениями сдвига без приложения нормальных напряжений.
Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - образец в разрезе;
на фиг.2 - образец в аксонометрической проекции;
на фиг.3 - различные варианты выполнения образцов из многослойных материалов;
на фиг.4 - расчетная схема для определения крутящего момента, вызывающего сдвиг клеевого слоя.
Образец содержит плоский клеевой слой 1 кольцевой формы, ограниченный двумя концентрическими окружностями диаметрами D1 и D2. Клеевой слой соединяет между собой тонколистовые элементы 2 и 3. Элемент 2 представляет собой диск диаметром D2, включающий в себя две зоны. Кольцевая зона шириной «а» примыкает к клеевому слою, центральная зона диаметром D1 предназначена для приложения к ней крутящего момента, например с помощью зажима ее специальными захватами (на чертежах не показаны) и последующего вращения этих захватов. Для удобства приложения усилия зажима со стороны внутреннего захвата в середине центральной зоны может быть выполнено отверстие диаметром, меньшим, чем D1. Элемент 3 представляет собой кольцо внутренним диаметром D1 и наружным диаметром D3 и включает в себя две зоны. Внутренняя кольцевая зона шириной «а» примыкает к клеевому слою, наружная кольцевая зона шириной «б» предназначена для приложения к ней крутящего момента.
Для изготовления образца используют многослойный склеенный листовой материал, чаще всего производимый в виде двух тонколистовых металлических элементов и соединяющего их клеевого слоя. От исходного листового материала отделяют заготовку в виде диска диаметром D3 (например, посредством вырубки в штампе). Затем на заготовке с помощью механической обработки на расточном, токарном или фрезерном станке выполняют две концентрические канавки 4, 5 диаметрами D1 и D2 треугольной, прямоугольной или другой формы. Глубина каждой канавки должна равняться суммарной толщине листового элемента и клеевого слоя. В случае, если число листовых элементов в склеенном материале превышает два, то глубины канавок могут быть различными в зависимости от того, какой клеевой слой предполагается испытывать (фиг.3). Поскольку канавки выполняются для того, чтобы выделить в многослойном материале испытуемый клеевой слой, их суммарная глубина должна быть больше толщины образца на величину толщины этого слоя, т.е. равняться сумме толщин образца и испытуемого клеевого слоя. Участки 6 и 7 образца, образующиеся при его изготовлении, не влияют на процесс испытания клеевого слоя 1 и могут быть удалены. Однако их целесообразно оставлять в конструкции образца, чтобы не увеличивать трудоемкость его изготовления.
При изготовлении образца диаметры D1 и D2 следует выбирать такими, чтобы момент Мкл, необходимый для сдвига клеевого слоя, был меньше, чем момент Ммет, требующийся для пластической деформации листового элемента 2 в области диаметром D1, т.е. чтобы выполнялось условие
При невыполнении этого условия в процессе испытания будет происходить пластическая деформация листового металла, а не сдвиг клеевого слоя. На фиг.4 приведена расчетная схема кольцевого клеевого слоя внутренним диаметром D1 (радиусом R1) и наружным диаметром D2 (радиусом R2), используемая для определения Мкл. Для этого кольцевой клеевой слой разбивается на n элементарных колец и рассматривается одно элементарное кольцо с внутренним радиусом Ri и наружным радиусом Ri+ΔRi. Площадь этого кольца будет F=2πRiΔRi. Сила сдвига слоя внутри этого кольца
где: τ - допускаемое напряжение сдвига клея.
Момент, требующийся для сдвига клеевого слоя внутри элементарного кольца,
Момент Мкл сдвига всего клеевого слоя определяется суммированием моментов М сдвига во всех элементарных кольцах
Переходя к пределу при ΔRi→0,
Момент, требующийся для пластической деформации листового элемента 2 в области диаметром D1,
где: σT - предел текучести листового металла образца;
s - толщина листового металла.
После подстановки зависимостей (5), (6) в неравенство (1) получается следующее выражение
При определении размеров образца внутренний диаметр D1 задают конструктивно (основываясь, например, на размере внутреннего захвата, передающего крутящий момент на центральную зону образца), диаметр D2 определяют, пользуясь неравенством (7).
Пример. Рассмотрим склеенный листовой материал, включающий в себя два стальных листа толщиной 0,8 мм марки 08Ю СВ и соединяющий их клеевой слой, выполненный с использованием клея марки «Evo-stik Thermaflo 6820». Из справочной литературы известно, что предел текучести σT листовой холоднокатаной стали марки 08Ю способности к вытяжке СВ составляет 205 Н/мм2 [ГОСТ 9045-93. Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки. Технические условия. ИПК Издательство стандартов, 1996; с.4; табл.2], а допускаемое напряжение сдвига (предел прочности при сдвиге) τ клея марки «Evo-stik Thermaflo 6820» составляет 0,95 Н/мм2 [Д.Шилдз. Клеящие материалы: Справочник / Под ред. В.П.Батизата. - М.: Машиностроение, 1980, с.150-151, табл.5.1; с.230, табл.5.4]. Принимаем D1, равным диаметру внутреннего захвата устройства для кручения - 50 мм. После подстановки указанных выше значений s, σT, τ и D1 в неравенство (7) решаем его относительно D2
Таким образом при известных характеристиках склеенного листового материала и выбираемом конструктивно внутреннем диаметре клеевого слоя определяется его максимально возможный наружный диаметр. Если характеристики клея известны приблизительно или неизвестны вообще, то в расчетную зависимость (8) подставляется допускаемое напряжение сдвига ближайшего аналога, а полученное значение D2 уменьшается на 20-30%.
Образец испытывают следующим образом.
Внутреннюю зону образца диаметром D1 и внешнюю кольцевую зону шириной «б» закрепляют в захватах испытательного устройства и прикладывают к одному или обоим захватам крутящий момент, который через кольцевые зоны листовых элементов 2 и 3 шириной «а» передается на клеевой слой 1, вызывая в нем напряжение сдвига, при этом надо заметить, что при испытании образца, крутящий момент прикладывается вне зоны испытания клеевого слоя 1. Испытание может вестись до разрушения клеевого слоя 1, до достижения определенного значения крутящего момента либо определенного значения относительного углового смещения кольцевых зон, примыкающих к клеевому слою. По полученным значениям крутящего момента и сдвиговой деформации определяют показатели механических свойств клеевого слоя 1.
Предлагаемый образец может быть использован для определения таких показателей механических свойств клеевых слоев многослойных листовых материалов, как предел прочности при чистом сдвиге, модуль сдвига и др. Образец расширяет возможности испытания на кручение в плоскости клеевого слоя за счет получения возможности испытания тонколистовых склеенных материалов.
1. Образец для испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости, содержащий, по меньшей мере, один клеевой слой, ограниченный двумя концентрическими окружностями, и соединяемые этим слоем металлические элементы, каждый из которых включает в себя зону приложения крутящего момента, отличающийся тем, что металлические элементы на всю их толщину выполнены с двумя концентрическими кольцевыми канавками разных диаметров, которые разделяют образец на три зоны: зону испытания, размещенную между канавками, и зоны приложения крутящего момента, при этом диаметры концентрических окружностей связаны следующей зависимостью
где τ - допускаемое напряжение сдвига клея;
σt - предел текучести материала металлического элемента образца;
s - толщина металлического элемента;
D1, D2 - диаметры внутренней и внешней окружностей, ограничивающих клеевой слой.
2. Образец по п.1, отличающийся тем, что одна из зон приложения крутящего момента размещена внутри окружности меньшего диаметра, а другая - снаружи окружности большего диаметра.
3. Образец по п.1, отличающийся тем, что концентрические канавки выполнены треугольной, прямоугольной или другой формы.
4. Образец по п.1, отличающийся тем, что клеевых слоев между металлическими элементами может быть больше одного.
5. Образец по п.4, отличающийся тем, что суммарная глубина кольцевых канавок многослойного образца равна сумме толщин образца и испытуемого клеевого слоя.
6. Способ испытания плоского клеевого слоя кольцевой формы на кручение в его плоскости, заключающийся в том, что к металлическим элементам образца, соединенным клеевым слоем, прикладывают крутящий момент и определяют характеристики механических свойств слоя образца, отличающийся тем, что крутящий момент прикладывают к образцу по п.1.
