Особенности спада высокоэластической деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения

Н. О. Яковлев, Е. Г. Сентюрин, Г. М. Харитонов
УДК
620.1:666.11/.28
DOI
10.18577/2307-6046-2015-0-9-12-12
версия в формате pdf (694.25 КБ)
Цитирование
Н. О. Яковлев, Е. Г. Сентюрин, Г. М. Харитонов Особенности спада высокоэластической деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения // Труды ВИАМ. 2015. № 9. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-9-12-12. URL: https://test.viam.ru/journal/2015/9/12
Ключевые слова
высокоэластическая деформация, органическое стекло
Аннотация

Представлены результаты исследований развития и спада высокоэластической (ВЭ) деформации в органических стеклах марок ВОС-2 (сополимер с редко сшитой структурой) и СО-120 (полимер с линейной структурой) при «мгновенном» и «принудительном» снятии нагрузки в диапазоне рабочих температур. Выявленные в экспериментах особенности спада ВЭ деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения, показывают целесообразность учета такой деформации при проектировании фонарей кабин перспективных самолетов.

Введение

Авиационные органические стекла являются важными конструкционными неметаллическими материалами [1–6]. Наряду с металлическими материалами внешнего контура самолета они призваны обеспечить необходимые прочностные характеристики изделия, обладая при этом высокими оптическими свойствами. В остеклении современных самолетов органические стекла являются основным материалом, занимая от 80 до 100% всей площади остекления.

С развитием авиации, ростом скоростей и высоты полетов требования к прочностным характеристикам стекол постоянно возрастали. Это требовало создания и освоения промышленностью новых материалов [7–10]. Для дозвуковых (число Маха М<1) и кратковременных (3–15 мин) сверхзвуковых (М≤2,1) полетов требовались оргстекла, способные эксплуатироваться в интервале температур от -60 до +100°C. При появлении самолетов, способных к полетам со скоростью М≥2,5, максимальные температуры на поверхности стекол достигли ≥200°C.

 

Материалы и методы

В данной работе в качестве объектов исследования выбраны органические стекла марок СО-120 и ВОС-2 [11, 12]. Стекло СО-120 – полимер линейного строения на основе непластифицированного полиметилметакрилата (ПММА), которое до настоящего времени является одним из основных материалов остекления. Ранее в неориентированном состоянии стекло СО-120 пытались применить на самолетах с температурой на поверхности до 135°C. Стекло ВОС-2 – сополимер частично сшитой структуры на основе метилметакрилата и метакриловой кислоты – является новым теплостойким оргстеклом, рекомендованным для применения в деталях остекления с температурой на поверхности от аэродинамического нагрева до 200°C.

Опыт эксплуатации показал, что наиболее опасными температурными условиями в полетах являются температуры внешних слоев остекления, близкие к температуре размягчения Tр.

При оценке прочности авиационного остекления на основе органических стекол считается, что они работают в области упругих деформаций. В расчетах и прочностных испытаниях обычно определяют напряжения, создаваемые аэродинамическими нагрузками, избыточным давлением в кабине и неравномерным распределением температуры по толщине остекления.

В реальности изделия остекления работают в области упруго-высокоэластических деформаций и в них возникают остаточные напряжения [13–15], причем в остеклении не только сверхзвуковых самолетов, но и самолетов, летающих на дозвуковых скоростях. Значительные остаточные напряжения замечены в остеклении из стекла марки СО-120 (Tр=120°C) самолетов, летающих со скоростью до М<2,3, а также в остеклении из стекла марки Э-2 (Tр=180°C) на самолетах, выполнявших полеты при М≥2,6. В деталях остекления наблюдались значительные остаточные деформации, а в отдельных случаях даже происходило их растрескивание.

Причины возникновения на поверхности остекления остаточных напряжений связаны с релаксацией температурных напряжений сжатия при нагреве остекления, либо усадочных деформаций, связанных с технологией изготовления стекол. С усовершенствованием технологии усадочные деформации были устранены, но остаточные температурные напряжения, вызванные релаксацией, сохранились [16–20].

Ранее [13, 15] при исследовании закономерностей деформирования органических стекол марок СО-120 и ВОС-2 при знакопеременных нагружениях установлено, что при температурах, близких к Tр, начальная общая деформация (ε0) практически полностью переходит в высокоэластическую (ВЭ) деформацию (εВЭ). При разгрузке образцов полнота спада ВЭ деформации определяется как

,

где εост – остаточная ВЭ деформация достигала максимума (~50%) при температуре ~(Tр-45)°C и с дальнейшим повышением температуры до Tр ее значение снижалось почти до нуля.

 

Приведенная на рис. 1 диаграмма растяжения органического стекла марки ВОС-2 до ε0=0,8% при 140°C показывает, что при смене полуцикла нагружения нерелаксировавшая часть ВЭ деформации переходит в качестве остаточной деформации εост во второй полуцикл нагружения. С повышением температуры величина остаточной деформации приближается к величине общей деформации, поскольку наклон нагрузочной ветви уменьшается и сокращается время разгрузки.

 

 

Рисунок 1. Диаграмма деформирования образца оргстекла ВОС-2 при температуре 140°С с выдержкой 300 с при постоянной деформации и последующей ступенчатой разгрузкой

 

В полете самолета возможны случаи, когда температура слоев стекла у внешней поверхности остекления достигает температур ≤(Tр+30)°C и на режиме торможения разгрузка (снижение общей деформации) этих слоев из-за изменения температуры по толщине остекления начинается при температуре, превышающей Tр. Смена полуцикла нагружения произойдет в слоях при температуре ≤Tр при возникновении напряжений растяжения.

При моделировании температурных напряжений с учетом их релаксации возникает вопрос, какая часть ВЭ деформации, развившаяся в первом полуцикле нагружения, не успевает за время разгрузки спасть и переходит как остаточная деформация во второй полуцикл нагружения.

Из приведенного выше предполагается, что вся ВЭ деформация, возникшая в первом полуцикле и равная общей деформации ε0, перейдет в виде остаточной во второй полуцикл. Однако в работе [21] на основании экспериментов с образцами полиметилметакрилата (ПММА), в которых они подвергались растяжению до ε0=30%, отмечается, что при температурах, близких к Tр, наблюдалось полное и почти мгновенное, судя по кривым ε(τ), восстановление (спад ВЭ деформации) деформированных образцов. С учетом больших деформаций, в ~30 раз превышающих максимально возможные в остеклении самолетов, и масштаба приведенных графиков (10 мм соответствуют 20 ч), в то время как в полете процесс разгрузки слоев стекла у внешней поверхности длится от 60 до 90 с, потребовалось проверить, как протекает спад ВЭ деформации при разгрузке авиационных органических стекол в условиях, близких к условиям полета по величинам ε0, скорости деформирования, времени разгрузки.

Для этого проведены два эксперимента (рис. 2). В эксперименте 1 образцы оргстекла марки СО-120 нагревали до температур 90, 105, 120 и 131°C, а оргстекла марки ВОС-2 – до температур 105, 130, 145 и 151°C. После достижения заданной температуры нагрева каждый образец подвергали растяжению до ε0=0,9%, выдерживали при ε0=const в течение 5 мин, после чего нижний конец образца освобождали из захвата и происходило «мгновенное» снятие нагрузки.

 

 

 

Рисунок 2. Диаграммы «деформация–время эксперимента» для оргстекла марки ВОС-2 при температуре 130°С

в эксперименте 1 (а) и 2 (б):

Δεупр.раз – упругая деформация, снимающаяся при «мгновенной» разгрузке образца; εост – высокоэластическая (ВЭ) деформация, оставшаяся после снятия упругой деформации;  – величина снижения деформации, равная величине ВЭ деформации, резвившейся за время нагружения;  – время, за которое деформация снижается на величину, равную величине ВЭ деформации, развившейся за время нагружения; ΔεВЭ восст – величина восстановления ВЭ деформации после снятия нагрузки с образца

 

В эксперименте 2 каждый образец также подвергали нагреву до указанных температур, нагружали до ε0=0,9%, выдерживали в течение 5 мин при ε0=const, а затем разгружали до ε0=0 с приложением сжимающей нагрузки P – «принудительное» снятие нагрузки со скоростью, превышающей равновесную, и освобождали его из захвата. Такой эксперимент имитирует условия деформирования слоя остекления в полете, возникающие из-за распределения температуры по толщине. Скорость деформирования при нагружении и разгрузке составляла 0,17∙10-3 c-1 и соответствовала средней скорости деформирования остекления в полете. Во всех экспериментах записывали диаграммы «нагрузка–деформация» и «деформация–время эксперимента».

 

Результаты

Из полученных данных видно, что в эксперименте 1 после освобождения образца деформация снижалась на упругую составляющую Δεупр.раз и далее происходил спад ВЭ деформации.

В эксперименте 2 с «принудительной» разгрузкой до ε0=0 после освобождения образца восстанавливалась упругая деформация сжатия, соответствовавшая нагрузке P, и не успевшая спасть часть ВЭ деформации растяжения ΔεВЭ восст. Далее ВЭ деформация продолжала спадать с уменьшенным темпом.

Результаты экспериментов представлены в виде графиков спада ВЭ деформации при различных температурах после «мгновенного» (рис. 3) и «принудительного» (рис. 4) снятия нагрузки. В таблице приведены данные, определенные

по диаграммам «нагрузка–деформация»:

– величины ВЭ деформации, развивающейся за время нагружения  и полной деформации  где  – ВЭ деформация, развивающаяся за время выдержки при ε0=const;

– величины остаточной ВЭ деформации εост при нагрузке P=0;

по диаграммам «деформация–время эксперимента»:

– деформации упругой разгрузки Δεупр.раз=ε0-εВЭ в эксперименте 1;

– продолжительность спада ВЭ деформации  после освобождения образца в эксперименте 1 на величину, равную

– величины остаточной ВЭ деформации εост через 20 мин после освобождения образца в экспериментах 1 и 2;

– величины восстановления ВЭ деформации ΔεВЭ восст после освобождения образцов в эксперименте 2.

 

Рисунок 3. Спад ВЭ деформации после «мгновенного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и СО-120 (б)

 

 

Рисунок 4. Спад ВЭ деформации после «принудительного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и СО-120 (б)

 

 

Данные экспериментов для случаев «мгновенного» (1)

и «принудительного» (2) снятия нагрузки

Органическое стекло

Условный номер эксперимента

Tемпература испытаний, °С

εВЭ·103

 103

, с

Δεупр.раз·103

εост·103

ΔεВЭ восст·103

при

P=0

через

1200 с

СО-120

1

90

4,6

3,6

205

5,9

3,1

0,2

–

105

5,5

2,6

218

3,8

5,2

1,5

–

120

8,8

7,0

1361

0,2

8,8

2,6

–

131

9,00

–

–

–

–

0

–

2

90

3,3

2,1

–

–

2,0

0,5

1,1

105

4,5

1,7

–

–

4,0

1,6

2,3

120

8,9

7,7

–

–

8,8

0,1

1,4

ВОС-2

1

105

4,7

2,2

188

4,4

3,0

0,6

–

130

7,7

4,9

856

1,3

8,1

5,3

–

145

8,9

8,0

1773

0,1

8,6

1,6

–

151

9,0

–

–

–

–

1,1

–

2

105

4,6

2,9

–

–

2,9

0,9

1,7

130

7,8

5,6

–

–

6,9

1,7

2,8

145

–

–

–

–

8,8

1,6

1,8

 

На основании полученных данных следует отметить некоторые особенности спада ВЭ деформации при повышении температуры испытаний органических стекол до Tр:

– в процессе спада деформации выделяются две стадии, отмеченные в работе [21], – начальная, сравнительно быстрая и замедленная;

– продолжительность спада величины ВЭ деформации, равной развившейся за время нагружения, увеличивается для обеих марок оргстекол;

– остаточная ВЭ деформация, определенная через 20 мин после освобождения образцов, имела довольно значительные величины, причем для обеих марок оргстекол с повышением температуры до 0,9–1,0 от Tр ее значения возрастали, а при температурах, превышающих Tр, снова снижались.

При температурах выше Tр в эксперименте 1 спад ВЭ деформации ускоряется, но не становится мгновенным. Через 100 с после освобождения образцов ВЭ деформация уменьшалась с 0,9 до 0,15% у оргстекла марки СО-120 и до 0,45% у оргстекла марки ВОС-2. Полный спад ВЭ деформации произошел у оргстекла марки СО-120 через 240 с, а у оргстекла марки ВОС-2 – через 600 с спад ВЭ деформации замедлился, и через 20 мин остаточная деформация составила 0,11%.

 

Обсуждение и заключения

Материалы экспериментов позволяют сделать следующие выводы, касающиеся определения температурных напряжений с учетом процессов спада ВЭ деформации в органическом остеклении при его нагреве выше температуры Tр:

– при нагреве внешних слоев остекления в полете до температуры ≥Tр общие деформации в них, определяемые распределением температуры по толщине, переходят в ВЭ деформации;

– при режиме торможения самолета и охлаждения остекления до температуры Tр будет происходить с замедляющимся темпом спад ВЭ деформаций сжатия, возникших в слоях стекла при нагреве;

– при температуре слоев ≤Tр (в момент смены полуцикла нагружения) остаточные ВЭ деформации в слоях равны общим деформациям в этих слоях, соответствующим распределению температуры по толщине остекления в момент смены полуцикла в данном слое.

Выявленные в экспериментах особенности спада ВЭ деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к Tр, показывают целесообразность их учета при проектировании фонарей кабины перспективных самолетов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП «ВИАМ».

Литература
  1. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
  2. Яковлев Н.О. Исследование и описание релаксационного поведения полимерных материалов (обзор) //Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. C. 50–54.
  3. Состав для получения органического стекла: пат. №2340630 Рос. Федерация; опубл. 01.08.2007.
  4. Ткачук А.И., Гребенева Т.А., Чурсова Л.В., Панина Н.Н. Термопластичные связующие. Настоящее и будущее //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 07 (viam-works.ru).
  5. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
  6. Петров А.А., Климова С.Ф., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Новые акрилатные органические стекла частично сшитой структуры //Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. №4. С. 70–72.
  7. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
  8. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Климова С.Ф., Богатов В.А. Новые «серебростойкие» органические стекла //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 45–48.
  9. Состав для получения органического стекла: пат. №2277105 Рос. Федерация; опубл. 13.05.2005.
  10. Петров А.А., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Исследование особенностей изготовления деталей остекления из частично сшитых органических стекол //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 32–34.
  11. Горелов Ю.П., Чмыхова Т.Г., Шалагинова И.А. Новые органические стекла для авиастроения //Пластические массы. 2009. №12. C. 20–22.
  12. Мекалина И.В., Богатов В.А., Тригуб Т.С., Сентюрин Е.Г. Авиационные органические стекла //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 04 (viam-works.ru).
  13. Яковлев Н.О., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г. Особенности упруго-высокоэластического деформирования органических стекол линейной и редко сшитой структур //Материаловедение. 2015. №3. С. 16–22.
  14. Яковлев Н.О. Влияние высокоэластической деформации на напряженно-деформированное состояние авиационных органических стекол: Автореф. дис. к.т.н. М. 2013. 24 с.
  15. Харитонов Г.М., Хитрова О.И., Яковлев Н.О., Ерасов В.С. Закономерности поведения ВЭ деформаций в авиационных стеклах из линейных и поперечносшитых полимеров при знакопеременных нагружениях //Авиационная промышленность. 2011. №3. С. 28–32.
  16. Яковлев Н.О. Релаксационное поведение органического стекла на основе полиметилметакрилата //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. №5. Т. 81. С. 57–60.
  17. Харитонов Г.М., Хитрова О.И., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С. и др. Влияние эксплуатационных условий нагружения на упругопластические характеристики авиационного органического остекления //Авиационная промышленность. 2006. №2. С. 43–48.
  18. Яковлев Н.О. Оценка границ области релаксационного поведения органического стекла на основе полиметилметакрилата //Пластические массы. 2015. №1–2. С. 36–39.
  19. Яковлев Н.О., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Харитонов Г.М. Релаксация остаточных напряжений в авиационных органических стеклах при послеполетной стоянке самолета //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2 (23). С. 66–69.
  20. Яковлев Н.О., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Харитонов Г.М. Комплекс методик оценки физико-механических характеристик органических стекол с учетом влияния высокоэластической деформации //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №10. С. 6–11.
  21. Аржаков М.С. Обобщенное описание механических и релаксационных свойств полимерного стекла: Автореф. дис. д.х.н. М. 2004. 48 c.