Kiedy połączenie klejowe nie działa, nasze pierwsze kroki zazwyczaj obejmują ocenę, czy siła klejenia jest wystarczająca, obróbka powierzchni jest prawidłowa, impregnacja jest wystarczająca i materiały nie są zestarzałe.
Jednak w rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych niektóre awarie nie zaczynają się dopiero w momencie uruchomienia; raczej potencjalne ryzyko występuje już po całkowitym utwardzeniu kleju.
Potencjalnym zagrożeniem jest obecność szczątkowego naprężenia wewnętrznego.
Jest niewidzialna i trudna do bezpośredniego zmierzenia, choć nie ma charakteru mistycznego. Mówiąc najprościej, klej ulega skurczowi podczas utwardzania i chłodzenia; jeśli otaczające podłoże ogranicza jego swobodne odkształcenie, część niekurczliwa staje się naprężeniem szczątkowym w warstwie kleju.
Dzisiaj poprowadzę was wszystkich, aby dokładnie zrozumieć tę koncepcję.
0 1 Po co się tego uczyć?
Zagrożenia związane z naprężeniami wewnętrznymi mają charakter „magazynowania-energii”.
Po utwardzeniu warstwa kleju magazynuje część energii odkształcenia sprężystego. Energia ta służy jako podstawowa siła napędowa późniejszego rozwarstwienia międzyfazowego, propagacji mikropęknięć i deformacji wypaczenia.
Weźmy na przykład rozwarstwienie i rozwarstwienie interfejsu: naprężenia wewnętrzne kumulują się na obciążeniu operacyjnym, powodując, że rzeczywiste naprężenie interfejsu znacznie przekracza-obliczoną w projekcie wartość znamionową. Innymi słowy, jeszcze zanim warstwa kleju zacznie formalnie działać, złącze jest już poddawane nadmiernemu-naprężeniu.
Innym przykładem jest dryft dokładności, który okazuje się szczególnie szkodliwy dla precyzyjnych zespołów, takich jak roboty, silniki i elementy optyczne.
Położenie rdzenia magnetycznego w silniku, ustawienie elementów optycznych i wymiary części konstrukcyjnych mogą podlegać-długoterminowemu dryfowi ze względu na stopniowe uwalnianie naprężeń wewnętrznych. Jeśli komponenty są początkowo zgodne podczas montażu, ale wykazują odchylenia po setkach godzin pracy, takie problemy często wynikają z obecności naprężeń wewnętrznych.
Dodatkowo zmniejsza się trwałość zmęczeniowa. Naprężenie wewnętrzne reprezentuje-długoterminowy średni poziom naprężenia, który łącznie obniża krzywą trwałości zmęczeniowej. Połączenie cyklicznych zmian temperatury, wilgotności i wibracji często prowadzi do sytuacji, w których produkty przechodzą wstępne testy, ale nie sprawdzają się podczas masowej produkcji.
Dlatego też naprężenia wewnętrzne nie są kwestią drugorzędną, lecz zasadniczym warunkiem niezawodności połączenia. Określa nie tylko, czy może wystąpić adhezja, ale także jak długo później wiązanie pozostaje stabilne.
0 2 Skąd bierze się stres wewnętrzny?
Aby zrozumieć stres wewnętrzny, należy najpierw zrozumieć jego pochodzenie.
Naprężenia wewnętrzne podczas utwardzania kleju wynikają zasadniczo z dwóch rodzajów odkształceń, które wykazują tendencję do kurczenia się, ale w rzeczywistości nie mogą tego zrobić.
Pierwszą kategorią jest skurcz utwardzający, zwany także skurczem chemicznym.
W ciekłych monomerach cząsteczki utrzymują kontakt dzięki siłom van der Waalsa (oddziaływania słabe). Nie ma wiązań chemicznych pomiędzy atomami dwóch cząsteczek; po prostu istnieją w bliskiej odległości, w typowej odległości około 0,3–0,4 nm (co stanowi sumę promieni van der Waalsa obu cząsteczek).
Podczas reakcji polimeryzacji pomiędzy monomerami tworzą się wiązania kowalencyjne. Biorąc za przykład najpopularniejsze wiązanie pojedyncze C – C, długość jego wiązania wynosi około 0,154 nm. Oznacza to, że dwie cząsteczki pierwotnie oddzielone luźną odległością około 0,35 nm są teraz na siłę łączone wiązaniem kowalencyjnym o długości około 0,15 nm-, co powoduje zmniejszenie odległości międzycząsteczkowej o ponad połowę. (Postać)
Na poziomie makroskopowym jednoczesne kurczenie się bilionów takich par molekularnych objawia się zmniejszeniem objętości. Jest to konsekwencja fizyczna, której nie można całkowicie uniknąć w żadnej reakcji polimeryzacji addycyjnej.
Drugą kategorią są naprężenia niedopasowania termicznego.
Wiele klejów wymaga podgrzania do utwardzenia. Po utwardzeniu, po ochłodzeniu z wysokiej temperatury do temperatury pokojowej, współczynniki rozszerzalności cieplnej kleju i podłoża różnią się.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej kleju jest zazwyczaj znacznie wyższy niż w przypadku materiałów podstawowych, takich jak metale, magnesy i ceramika. Podczas chłodzenia klej ma tendencję do dalszego kurczenia się, ale materiał bazowy zapobiega jego swobodnemu skurczowi, ograniczając w ten sposób warstwę kleju i wywołując resztkowe naprężenia wewnętrzne.
Najbardziej krytyczną koncepcją jest tutaj punkt żelowania.
Przed osiągnięciem punktu żelowania klej pozostaje płynny i może płynąć. Na tym etapie, nawet jeśli nastąpi skurcz, materiał może rozproszyć takie odkształcenie poprzez przepływ, reorganizację i wypełnienie, minimalizując w ten sposób akumulację naprężeń wewnętrznych.
Po punkcie żelowym sytuacja się zmienia. W kleju zaczyna się tworzyć-trójwymiarowa sieć, a materiał stopniowo przechodzi ze stanu ciekłego do stałego. Na tym etapie warstwa kleju uzyskuje-nośność i zaczyna „pamiętać” późniejsze zdarzenia związane ze skurczem i odkształceniem.
Innymi słowy, część skurczu występująca po punkcie żelowania jest naprawdę podatna na generowanie naprężeń wewnętrznych.
W miarę upływu czasu materiał dalej twardnieje, a jego Tg stale rośnie. Gdy Tg przekroczy aktualną temperaturę roboczą, warstwa kleju przechodzi ze stanu gumowatego do stanu szklistego.
Po wejściu w stan szklisty moduł warstwy kleju gwałtownie wzrasta, co utrudnia ruch segmentu łańcucha; w rezultacie część stresu, który można było wcześniej uwolnić, staje się jeszcze trudniejsza do uwolnienia.
Dlatego naprężenie wewnętrzne można po prostu rozumieć jako:
Przed osiągnięciem punktu żelowania: skurcz może nastąpić bez wywoływania naprężenia.
Po punkcie żelowania: warstwa żelu zaczyna tworzyć sieć, co zapobiega późniejszemu skurczowi.
Po zeszkleniu: materiał staje się sztywny, a jego łańcuchy molekularne unieruchomione, co utrudnia uwalnianie naprężeń.
Jak wszyscy wiemy:
Naprężenie=Moduł × Odkształcenie
Końcowe naprężenie wewnętrzne ≈ moduł efektywny × (skurcz po-utwardzaniu żelującym + odkształcenie niedopasowania termicznego) − uwolnienie relaksacyjne
Odkształcenie niedopasowania cieplnego można po prostu zrozumieć jako:
Odkształcenie niedopasowania termicznego ≈ (współczynnik rozszerzalności cieplnej kleju − współczynnik rozszerzalności cieplnej podłoża) × efektywna różnica temperatur
Tylko skurcz i niedopasowanie termiczne występujące po punkcie żelowania, pomnożone przez stale rosnący moduł, pomniejszone o część uwolnioną w wyniku relaksacji podczas procesu, stanowią końcowe naprężenie wewnętrzne netto.
Jest to również powód, dla którego trudno jest zbadać naprężenie wewnętrzne: nie pojawia się ono nagle, w jednej chwili, ale gromadzi się stopniowo podczas procesów utwardzania i chłodzenia. W trakcie tego procesu skurcz, temperatura, moduł i zdolność materiału do uwalniania naprężeń podlegają ciągłym zmianom.
03 Jak scharakteryzować: Najpierw zmierz „skutek”, a następnie zmierz „przyczynę”.
Obecnie powszechnie uznaje się, że naprężenia wewnętrzne nie powstają nagle i w jednej chwili, ale raczej kumulują się stopniowo podczas procesów utwardzania i chłodzenia.
Każdy parametr ulega tutaj ciągłym zmianom: szybkość skurczu, temperatura, moduł, a nawet zdolność materiału do uwalniania naprężeń są różne.
Dlatego charakterystyka naprężeń wewnętrznych nie może opierać się wyłącznie na jednej wartości liczbowej; musi jednocześnie odnosić się do dwóch kwestii:
Po pierwsze, jaka ilość naprężeń lub odkształceń pozostaje na końcu?
Po drugie, w jaki sposób powstają te naprężenia podczas procesu utwardzania?
Jeśli chodzi o metody testowania, można je ogólnie podzielić na dwie kategorie.
Jedna kategoria obejmuje bezpośredni pomiar wyników naprężeń lub odkształceń, podczas gdy druga mierzy wewnętrzne parametry materiału w celu ustalenia modeli.
Kategoria 1: Bezpośredni pomiar wyników naprężeń lub odkształceń
Podejście to koncentruje się na określeniu zakresu odkształcenia lub naprężenia szczątkowego indukowanego w konstrukcji po utwardzeniu kleju.
Najbardziej klasyczną metodą jest metoda gięcia belek wspornikowych lub belek dwumateriałowych. Klej nanosi się na cienkie blachy, płytki krzemowe lub inne materiały podłoża; podczas utwardzania skurcz kleju powoduje wyginanie się podłoża. Mierząc krzywiznę w czasie rzeczywistym i stosując metodę analogiczną do równania Stoney'a, można obliczyć średnie naprężenia w warstwie kleju. Podejście to ma tę zaletę, że jest intuicyjne i-ugruntowane, umożliwiając wizualizację krzywych przedstawiających zmianę naprężenia w czasie utwardzania.
Istnieje również technika włóknistej siatki Bragga (FBG). Dzięki osadzeniu włókien optycznych w warstwie żelu można mierzyć naprężenia w żelu w czasie rzeczywistym. Metoda ta zapewnia dokładniejsze odzwierciedlenie stanu wewnętrznego żelu w porównaniu z samymi pomiarami odkształceń powierzchni, choć wiąże się z większymi kosztami i większą złożonością operacyjną.
Monitorowanie naprężeń utwardzania w laminatach kompozytowych za pomocą rozproszonego czujnika optycznego (źródło obrazu)
W przypadku przezroczystych klejów można również zastosować metody fotoelastyczności lub dwójłomności w celu obserwacji rozkładu naprężeń poprzez dwójłomność-indukowaną naprężeniami.
Ponadto metody takie jak wiercenie, pobieranie próbek rdzenia,-dyfrakcja promieni X (XRD), rozpraszanie neutronów i analiza przesunięcia Ramana mogą być również stosowane w określonych warunkach do pomiaru naprężenia szczątkowego lub odkształcenia pośredniego.