Остаточно-напряженное состояние отливок из пластмасс (часть 2)

Все пластмассовые литьевые детали после выталкивания из формы имеют в своем объеме неоднородную структуру с определенным уровнем остаточно-напряженного состояния определяющим эксплуатационные свойства деталей-отливок. Качественно распределение по сечению упругих остаточных напряжений и степени ориентации сходно для всех отливок независимо от вида полимера. Величина остаточных напряжений упругого характера и высокоэластическая молекулярная ориентация зависят от ряда факторов: марки термопласта, толщины отливки, технологических параметров литья (температура литья, температура формы, скорость впрыска, давление литья, время выдержки под давлением, время на охлаждение и др.).

В первой части настоящей публикации были даны определения терминов используемых для описания остаточно-напряженного состояния отливок из пластмасс.

Часть 2. Методы определения остаточных напряжений и степени ориентации литьевых пластмассовых изделий

Методы определения упругих остаточных напряжений и степени ориентации высокоэластического характера имеют свои особенности. Остаточные напряжения измеряются в итоге в размерностях кг/см2 или МПа/см2, а степень ориентации материала отливок измеряется в %, которая не может преобразовываться в размерность напряжений.

Все прямые методы определения остаточных напряжений основаны на измерении деформации детали после удаления небольшой ее части, например, расточкой, шлифовкой с последующим пересчетом деформации на напряжения в удаленном слое. Кроме измеренной деформации для расчета напряжения необходимо использовать модуль упругости и коэффициент Пуассона. Формула пересчета упругой деформации в напряжение выбирается в зависимости от формы детали и использованного метода.

Так, при определении напряжений по методу Г. Закса последовательное удаление слоев материала цилиндрической детали может производиться точением снаружи или изнутри, как показано на рис. 3. После снятия каждого слоя проводятся измерения длины и наружного диаметра рассчитываются остаточные напряжения в каждом слое и строятся эпюры осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений по сечению.

В случае прямоугольной плоской детали схема разметки образца и последовательного удаления слоев показана на рис. 4. В этом случае ведутся замеры прогиба f на базе 100 мм после снятия каждого слоя и расчетно-графическим способом строится эпюра осевых остаточных напряжений по сечению.

Измерение деформаций детали после удаления каждого слоя требуется проводить в условиях жесткого термостатирования как пластмассовой детали, так и средств измерения во избежание температурных погрешностей. Использование контактных средств измерения размеров приводит к большим погрешностям и не дает надежных результатов.

Ряд исследователей для оценки и сравнения уровня остаточных напряжений используют косвенные методы (табл.1). Однако косвенные методы не позволяют измерить именно напряжения и получают численные результаты в размерностях далеких от размерности напряжений, что снижает их ценность по сравнению с прямыми методами.

Распределение ориентации макромолекул по сечению качественно сходно для всех литьевых изделий из термопластов. Количественно степень ориентации зависит от марки полимера, толщины изделия и технологических параметров литья. Максимальная степень ориентации наблюдается в приповерхностных слоях , минимальная — в срединной зоне, как показано на рисунках 2 и 5.

Метод тепловой усадки является наиболее информативным для определения степени ориентации по слоям детали или литьевого изделия в целом. При этом температура, продолжительность и среда, в которой проводится прогрев, подбираются в каждом конкретном случае. Поскольку величина полной тепловой усадки измеряется десятками процентов, то методически и аппаратурно подобные замеры намного проще , чем для остаточных напряжений.

 

Косвенные методы, представленные в таблице 2, не являются доказательными на 100%, т.к. в большинстве случаев связь подобных методов со степенью ориентации неявная и основана на предположениях тем более, что результаты редко выражаются в процентах (%), как при прямом методе тепловой полной усадке.

Отдельно следует отметить, что поляризационно-оптический метод и метод растрескивания в ПАВ используются как для оценки остаточных напряжений, так и для оценки степени ориентации. При этом невозможно выделить эффект от напряжений и от ориентации, поэтому такая смешанная картина скорее запутывает, а не проясняет суть. К тому же по некоторым данным влияние ориентации на поляризационную картину в сотню раз сильнее влияния упругих напряжений.

В любом случае следует отдавать предпочтение прямым методам исследования по сравнением с косвенными.