CC BY
72
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
МАШИНОБУДУВАННЯ ТА МЕТАЛООБРОБКА
УДК 539.389.1
© Арустамян А.С.1, Ищенко А.А.2, Солек К.3, Калиш Д.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРА В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Проведено теоретическое и практическое исследование влияния температуры на механические характеристики композитного материала «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018»). Описаны лабораторные установки, на которых были проведены испытания, а также описана методика подготовки и проведения эксперимента. Эксперименты проводились на машине для испытаний образцов на сжатие Zwick Roell Amsler HB 100, которая способна приблизить эксперимент как можно ближе к реальным условиям, так как имеет специальную термическую камеру, в которой образцы нагревались до температур 20°С, 40°С, 60°С и 80°С. Образцы подвергались нагрузке в 15кН, 30кН и до полного разрушения. Получены экспериментальные значения условного предела текучести образцов из «MMStahl 1018» различных толщин для повышенных температур. На основании данного эксперимента при ремонтах деталей и машин, работающих при повышенных температурах, рекомендуется использовать слои материала высотой не более двух миллиметров и применять в мало нагруженных узлах. Также выполнен анализ результатов проведенных экспериментов, в котором выявлено, что с повышением температуры понижается предел текучести материала. Данный ма-терал может работать в реальних условиях при повышенных температурах, однако для этого необходимо провести ряд экспериментов, добавив вибрационную нагрузку.
Ключевые слова: восстановление, эксперимент, композит, металлополимер, на-гружение, температура, технология.
Арустамян А.С., 1щенко А.О., Солек К., Калиш Д. Визначення Mern:i meKy40cmi композитного матeрiалу на ornoei полiмeрiв в умовах тдвищених температур.
Проведено теоретичне i практичне досл1дження впливу температури на мехатчт характеристики композитного матерiалу «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018»). Описано лабораторт установки, на яких були проведет випро-бування, а також описана методика тдготовки та проведення експерименту. Ек-сперименти проводилися на машин для випробувань зразюв на стиск Zwick Roell Amsler HB 100, яка здатна наблизити експеримент якомога ближче до реальних умов, так як мае спещальну термiчну камеру, в якт зразки нагрiвалися до температур 20°С, 40°С, 60°С i 80°С. Зразки тддавалися навантаженню в 15кН, 30кН i до повного руйнування. Отримано експериментальш значення умовног межi теку-чостi зразюв з «MM Stahl 1018» рiзног товщини для тдвищених температур. На пiдставi даного експерименту при ремонтах деталей i машин, що працюють при тдвищених температурах, рекомендуеться використовувати шару матерiалу ви-
аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, аас0979560476@таИ ги
2 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, ischenko49@mail. ги
3 д-р техн. наук, профессор, Краковская горно-металлургическая академия, ksolek@metal. edu.pl
4 д-р техн. наук, профессор, Краковская горно-металлургическая академия, dak@дgh. edu. р1
г. Краков, Польша, г. Краков, Польша,
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
сотою не бшьше двох мы1метр1в i застосовувати в мало навантажених вузлах. Також виконано аналiз резульmаmiв проведених експериментiв, в якому виявлено, що з тдвищенням температури знижуеться межа плинностi матерiалу. Даний матерiал може працювати в реальних умовах при тдвищених температурах, од-нак для цього необхiдно провести ряд експериментiв, додавши вiбрацiйне наван-таження.
Ключовi слова: вiдновлення, експеримент, композит, метал-полiмер, наванта-ження, температура, технологiя.
A.S. Arustamian, A.O. Ishchenko, K. Solek, D. Kalish. Polymer-based composite material yield point identification in the conditions of high temperatures. Theoretical and practical research of temperature influence on mechanical characteristics of the composite material «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018») have been conducted. Both the laboratory equipment used to measure the mechanical properties, the technique of material preparation and the experimental procedure were described. The compressive tests were carried out on Zwick Roell Amsler HB 100, that can approximate the experiment to real conditions, as it has a special heat chamber in which the samples were heated up to 20°C, 40°C, 60°C and 80°C. The samples were subjected to the load of 15kN, 30KN to complete failure. The experimental values of conventional yield limit of «MM Stahl 1018» samples of various thicknesses for high temperatures have been got. On the strength of this experiment when repairing machinery and parts operating at high temperatures, it is recommended to use the material layer of no more than two millimeters and apply a little loaded nodes. The analysis of the results of the experiments showed that temperature increasing, the yield strength of the material decreases. The «MM Stahl 1018» basing on the best polymers that almost do not shrink at hardening, has good chemical resistance. The powders - fillers include high quality stainless steel, ceramics and additives for improving the surface tension and chemical resistance. Due to its perfect viscous consistency «MM Stahl 1018» can be easily applied with a spatula on wedges breechblocks or bridge supports and is evenly distributed in all directions at assembling. Thanks to «MM Stahl 1018» good forming properties the units may be fitted on the spot with the accuracy of 1/100 mm that is of 100% accuracy, no additional fitting is required, i.e., traditional fitting of wedges breechblocks and piers to the lower zone of the bridge. At assembling a bridge support must be adjusted in the final position with 100% accuracy. This material can work in real conditions at elevated temperatures, but it is still necessary to conduct a series of experiments adding a vibration load as well. Key words: mechanical properties, yield point, compression test, composite materials.
Постановка проблемы. В последнее время всё большее распространение получают ремонты с применением металлополимерных и композитных материалов, созданных на базе эпоксидных смол, которые существенно изменяют стойкость к воздействиям влаги, а также химическим воздействиям, что позволяет выполнить ремонт промышленного оборудования. Однако следует отметить, что применение металлополимерных материалов в металлургии ограничено из-за высоких температур и тяжёлых условий работы машин, особенно при воздействии динамических нагрузок и повышении требований к надежности и долговечности. Для исследования был выбран композитный материал «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018») и проведены испытания на новом оборудовании. Проведен ряд экспериментов, в которых на образцы воздействует напряжение сжатия при высоких температурах.
Анализ последних исследований и публикаций. Мультиметалл Сталь 1018 был разработан в начале 90-х годов в тесном сотрудничестве с известной немецкой мостостроительной фирмой и фирмой, изготавливающей металлические конструкции. С тех пор этот материал успешно используют в Германии и за рубежом в процессах ремонта и замены мостовых опор на железнодорожных и автомобильных мостах или мостах через каналы [1-2]. Мультиметалл Сталь 1018 базируется на лучших полимерах, которые при отверждении почти не дают усадку, обладают хорошей химической стойкостью. В состав порошков-наполнителей входят высококачественная нержавеющая сталь, керамики и присадки для улучшения поверхностного напря-
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: Техшчш науки Вип. 32
ISSN 2225-6733
жения и химической стойкости. Благодаря своей идеальной вязкой консистенции, мультиме-талл Сталь 1018 легко наносится шпателем на клиновые затворы или мостовые опоры и равномерно распределяется по всем направлениям во время монтажа [3].
Благодаря хорошим свойствам формования мультиметалла Сталь 1018 с диапазоном точности 1/100 мм осуществляется 100% точность подгонки прямо на месте, не требуя никакой доработки материала, т. е. традиционной подгонки клиновых затворов и мостовых опор к нижнему поясу моста. Во время монтажа нужно привести мостовую опору в конечное положение со 100% точностью [4-5].
Мультиметалл Сталь 1018:
- выравнивает зазоры от 0 до15 мм;
- обладает высоким пределом прочности при длительных нагрузках, а также в экстремальных условиях, таких как вибрации, температурные колебания от -40°С до +90°С;
- стойкий к старению и погодным условиям;
- стойкий к бензину, маслам, кислотам, щелочам и охлаждающим средствам;
- коррозионостойкий, не ржавеет, не является проводником;
- прост в обработке, не требуется предварительной подготовки и вспомогательных средств.
Целью работы является определение усадки материала при нагрузке в статическом режиме при повышенных температурах (до 80°С).
Изложение основного материала. Zwick Roell Amsler HB 100 (рис. 1) - машина для испытания образцов на сжатие, способная приблизить эксперимент как можно ближе к реальным условиям, потому что имеет специальную термическую камеру и имеет возможность добавить вибрационные нагрузки.
Рис. 1 - Машина для испытания образцов на сжатие Zwick Roell Amsler HB100
Используя это оборудование, исследуются вязкоупругие и усталостные свойства образцов при различных температурах. С помощью специального устройства для испытания на сжатие (установленное на пластине с Т-образными пазами) могут быть закреплены образцы различных форм и размеров. Интегрированное устройство может быть использовано в термокамере (температурный диапазон от -80°C до +250°С). Максимальная нагрузка 100 кН при сжатии; ход поршня 250 мм.
За критерий исследования было решено взять предел текучести ат. Известно, что мультиметалл не имеет чётко выраженной площадки текучести, поэтому вместо ат используется условный предел текучести а02, который соответствует напряжению, при котором остаточная (пластическая деформация) составляют 0,2% от высоты испытываемого образца.
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
При изготовлении образцов применялся металлополимерный материал «MM Stahl 1018» фирмы «Diamant», техническая характеристика которого приведена в таблице 1. Для испытаний применялись цилиндрические образцы в свободном состоянии диаметром D=20 мм и высотой Н=3 мм (рис. 2). Выбор таких образцов обусловлен, в первую очередь, тем, что слои таких толщин наиболее часто применяются в ремонтах промышленного оборудования.
Таблица 1
Техническая характеристика композитного материала «MM Stahl 1018»
Прочность при сжатии Н/мм2 Мах160
Прочность при растяжении Н/мм2 76
Предел прочности при изгибе Н/мм2 89
Предел прочности при растяжении и сдвиге Н/мм2 22
Модуль упругости Н/мм2 14000
Коэффициент линейного расширения 32х10-6 К
Термостойкость -40оС / +90оС
Химическая стойкость Очень хорошая
Стойкость к старению и погодным условиям Очень хорошая
«Рабочее» время/время работы с материалом 20оС мин 45
Отверждение при +5оС час 72
Отверждение при +20оС час 24
Удельный вес г/см3 2,4
Вязкость Мягкий пастообразный
Хранение Мес. 12
Расфасовка кг 1,5+4,5
Принадлежности Шпатель, перчатки, очиститель, разделительный материал
Рис. 2 - Схема испытательного образца в свободном состоянии
В качестве диапазона исследуемых температур были выбраны следующие: +20оС, +40оС, +60оС, +80оС. Обусловлено это тем, что заявленный диапазон рабочих температур материала (-40оСМ+80°С).
Изготовление образцов в свободном состоянии производится следующим образом:
- производится подготовка форм для заполнения мультиметаллом. В качестве форм для образцов в свободном состоянии использовали шприцы объёмом 20 мл, так как они обеспечивают нужный диаметр образцов и отпадает необходимость применять отделитель и очиститель;
- подготовленные формы заполняются материалом. При этом его следует тщательно проталкивать, предотвращая возникновение воздушных пузырей;
- после застывания материала обрезается край шприца и, приложив осевую нагрузку, извлекаем цилиндр из мультиметалла. Полученные цилиндры обрабатываются на токарном станке - материал срезается до нужной высоты;
- торцевые поверхности полученного образца выводятся в одну плоскость наждачной бумагой.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Исследуется зависимость физико-механических свойств материала при повышенных температурах. Ранее был проведен ряд экспериментов при комнатной температуре. Образцы подвергают нагрузке при температуре 40°С, 60°С и 80°С, сжатие выполняется до полного разрушения. Графики ниже показывают результаты экспериментов.
Рис. 3 иллюстрирует зависимость толщины образца от нагрузки 15 кН при температуре окружающей среды. Такую же зависимость показывают и графики на рис. 4, 5 и 6, но при температуре 40°С, 60°С и 80°С. Они ясно показывают, что заданная нагрузка не является достаточной, чтобы преодолеть предел текучести.
Рис. 3 - График изменения толщины образца при максимальной нагрузке 15 кН и при температуре окружающей среды
Рис. 4. - График изменения толщины образца при максимальной нагрузке 15 кН при температуре 40°С
Рис. 5. - График изменения толщины образца при максимальной нагрузке 15 кН и при температуре 60°С
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
20 -|----
15 >-
10 - --¿С
0 -I-—1---
41 41.5 42 42.5 4В
Перемещение, мн
Рис. 6. - График изменения толщины образца при максимальной нагрузке 15 кН
при температуре 80°С
В результате проведенных исследований были получены аналогичные зависимости при максимальной нагрузке 30 кН. Из них видно, что достигнут предел текучести и, кроме того, он падает с ростом температуры. Образец был нагружен до разрушения при температуре окружающей среды. Кроме того, образец был доведен до разрушения и при температурах 40°С, 60°С и 80°С.
В соответствии с графиками может быть определено, что предел текучести материала зависит от температуры окружающей среды. Чем выше температура, тем ниже предел текучести. Результаты экспериментов показаны в таблице 2.
Таблица 2
Результаты экспериментов
№ образца Максимальная нагрузка, кН Изменение толщины, мм Температура, °С
1 30 1,43 Окр. среды
2 30 1,56 40
3 30 1,97 60
4 30 2,34 80
5 55 2,53 Окр. среды
6 47 2,71 40
7 41 2,79 60
8 36 2,72 80
Выводы
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования несущей способности композитного материала на полимерной основе «MM Stahl 1018» при повышенных температурах.
2. Получены экспериментальные значения условного предела текучести образцов из «MM Stahl 1018» различных толщин для повышенных температур.
3. На основании данного эксперимента при ремонтах деталей и машин, работающих при повышенных температурах, рекомендуется использовать слои материала высотой не более двух миллиметров и применять в мало нагруженных узлах.
4. Данный материал может работать в реальных условиях при повышенных температурах, однако для этого необходимо провести ряд экспериментов, добавив вибрационную нагрузку.
Список использованных источников:
1. Энциклопедия полимеров / В.А. Каргин [и др.]. - М. : Советская энциклопедия, 1972. -1224 с. - (В 3-х т.; Т. 1).
2. Официальный сайт фирмы «Diamant» [Электронный ресурс]. - (http://diamant.net.Ru/materia ls/multimetall).
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
3. Ищенко А.А. Технологические основы восстановления промышленного оборудования современными полимерными материалами / А.А. Ищенко. - Мариуполь : ПГТУ, 2007. - 250 с.
4. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет / О.А. Савинов. - Л. : Стройиздат, 1979. - 200 с.
5. Исследование коэффициента трения покоя пластмасс со сталью / А.А. Ищенко [и др.] // Bi-сник Приазовського державного техшчного ушверситету : Зб. наук. пр. / ДВНЗ «ПДТУ». -Марiуполь, 2012. - Вип. 24. - С. 258-261.
Bibliography:
1. Polymer Encyclopedia / У.А. Kargin [et al.]. - M. : Sovetskaya entsiklopediya, 1972. - 1224 p. -(In 3 volumes, Vol. 1). (Rus.)
2. Official «Diamant» company website [Electronic resource]. - (http://diamant.net.ru/materials/mul timetall).
3. Ischenko A. Technological bases of recovery of industrial equipment with modern polymeric materials / A. Ischenko. - Mariupol : PSTU, 2007. - 250 p. (Rus.)
4. Savinov O. Modern construction of foundations for machines and their calculation / O. Savinov. -L. : Stroyizdat, 1979. - 200 p. (Rus.)
5. Study of static friction coefficient plastic with steel / A. Ishchenko [et al.] // Reporter of the Pria-zovskyi state technical university : Collection of scientific works / SHEE «PSTU». - Mariupol, 2012. - Issue 24. - P. 258-261. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 05.05.2016
УДК 621.923
© Рябенков И.А.1, Новиков Ф.В.2, Андилахай А.А.3
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ И УСЛОВИЯ ЕЕ УМЕНЬШЕНИЯ
Проведен теоретический анализ закономерностей формирования шероховатости поверхности при абразивной обработке. Установлено, что уменьшить шероховатость поверхности при шлифовании можно увеличением количества одновременно работающих зерен и длины дуги контакта круга с обрабатываемой деталью. При обработке отверстия эффективно шлифование производить торцовой поверхностью круга, имеющей форму окружности и обеспечивающей наибольшую площадь контакта с обрабатываемым отверстием.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, абразивная обработка, обработка связанным абразивом, круглое наружное шлифование, производительность обработки, одновременно работающие зерна, отверстие, хонингование.
Рябенков I. О., HoeiKoe Ф.В., Андыахай О. О. 3aK0H0MipH0cmi формування шорс-mKocmi поверхш при абразивнш обробц та умови и зменшення. Проведено тео-ретичний анал1з законом1рностей формування шорсткост1 поверхм при абразив-мй обробщ. Встановлено, що зменшити шорстюсть поверхм при шл^фуванш мо-
1 канд. техн. наук, директор, ООО «ДиМерус Инженеринг», г. Харьков, dimerus@dimerus. сот
2 д-р техн. наук, профессор, Харьковский национальный экономический университет, г. Харьков, [email protected]
3 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Andilahay@mail т
