Приложение А (обязательное). Определение прочности

Приложение А
(обязательное)

Определение прочности

А.1 Общие положения

С помощью испытаний должна быть определена прочность клеевого соединения для всех типовых нагрузок и воздействий. При оценке результатов испытаний применяют обычные статистические методы, которые должны быть описаны в документации для проверки. При планировании испытаний с целью проверки необходимо разработать сценарии разрушения и адаптировать их к проводимым испытаниям. Испытания должны отражать ожидаемые нагрузки, а также их продолжительность.

Воздействия окружающей среды и механические воздействия рассматривают как сочетания нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации. В возникающем сочетании нагрузок проверяют прочность.

Если нет достаточного опыта эксплуатации, то сначала по случайной выборке экспериментально определяют те нагрузки или их сочетания, которые описывают наиболее неблагоприятные условия эксплуатации.

В производстве железнодорожного подвижного состава решающими для геометрии и размеров клеевого соединения, как правило, являются сочетания колебательных нагрузок, вызванных ветром, ускорением и воздействием рельсового пути, а также большими постоянными или медленно изменяющимися деформациями под воздействием влажности, температуры и регулярного применения чистящих средств. Для определения (механических) спектров суммарных нагрузок в перечне требований достоверно описывают сценарий эксплуатации.

Механические испытания проводят таким образом, чтобы частоты или скорости воздействий отражали характеристики приложения нагрузок при эксплуатации. При использовании параметров, полученных в ходе различных испытаний, необходимо проверить их соответствие эксплуатационным значениям.

А.2 Характерные величины и допустимая прочность

Характеристики прочности описываются характерными величинами. Характерные величины учитывают погрешность измерений. На основании характерных величин возможно предсказать поведение (вероятность разрушения или безотказной эксплуатации) клеевого соединения в эксплуатации. Характерные величины R_C рассчитывают по формуле (А.1) согласно ГОСТ Р 50779.29 с помощью среднего значения и стандартного отклонения R

,

(А.1)

где R - расчетное значение прочности (например прочности, предела текучести, удлинения при разрыве).

Коэффициент является функцией статистического распределения, вида толерантного интервала (двустороннего или одностороннего), доли совокупности P, заданного уровня доверия 1 -  и количества базовых измеренных значений n (степеней свободы) (см. ГОСТ Р 50779.29-2017, таблица D.4). В таблице А.1 приведены некоторые значения коэффициента k_m и они отнесены к классу для одностороннего разграниченного диапазона статистических пропорций, который обычно здесь имеет значение при нормальном распределении.

Таблица А.1 - Односторонне ограниченный диапазон толерантного интервала (дисперсия генеральной совокупности неизвестна) с нормальным распределением (по ГОСТ Р 50779.29-2017, таблица D.4)

n	Класс А1	Класс А2
	1 -  = 0,95; P = 0,95	1 -  = 0,95; P = 0,90
	k m (0,95, 0,95, n)	k m (0,90, 0,95, n)
2	26,26	20,58
3	7,66	6,16
4	5,14	4,16
5	4,21	3,41
6	3,71	3,01
7	3,40	2,76
8	3,19	2,58
9	3,03	2,45
10	2,91	2,36
11	2,82	2,28
12	2,74	2,21
13	2,67	2,16
14	2,61	2,11
15	2,57	2,07
16	2,52	2,03
17	2,49	2,00
18	2,45	1,97
19	2,42	1,95
20	2,40	1,93
30	2,22	1,78
40	2,13	1,70
50	2,07	1,65
100	1,93	1,53
	1,64	1,28
Примечание - Для значений n, отсутствующих в таблице, значение коэффициента k m определяют аппроксимацией ближайших значений.

А.3 Испытания для низкопрочных клеев

А.3.1 Общие положения

Низкопрочные клеи применяют в рабочем диапазоне температур выше температуры стеклования. Они обладают гиперэластичными свойствами при квазистатической нагрузке и могут демонстрировать большое удлинение при разрыве. Под воздействием длительных нагрузок клеи релаксируют. В зависимости от типа нагрузок и состояния напряжения разрушение может происходить при значительно меньшей деформации, чем при квазистатическом испытании. Поэтому требуется определить деформацию релаксационного разрушения.

При постоянном статическом напряжении за счет постоянной нагрузки возникает деформация ползучести, которая нередко приводит к большему растяжению при разрыве, чем в случае нагружения при относительно быстром перемещении. При разрушении ползучести при постоянной нагрузке определяют характеристики ползучести и указывают допустимую максимальную деформацию ползучести в течение срока эксплуатации. При необходимости предпринимают конструктивные меры для предотвращения дальнейшей деформации ползучести (например, ограничители).

А.3.2 Определение модуля упругости, коэффициента поперечного сжатия и кривой прочности при испытании на растяжение образца клеящего вещества

Для определения базовых параметров (модуля упругости, коэффициента поперечного сжатия, кривой прочности) используют образцы клеящего вещества. Пример геометрии показан на рисунке А.1. Коэффициент скорости при испытании должен составлять 0,05 с ^-1. Скорость движения вычисляют по формуле

.

(А.2)

В случае формы образца, показанной на рисунке А.1, при длине утонченного участка I _C = 25 мм управляемая скорость испытания составляет 75 мм/мин. Для образцов другой формы скорость испытания рассчитывается по приведенной выше формуле. Скорость испытания должна быть постоянной. При более высоких скоростях испытаний их влияние на параметры оказывается столь велико, что они перестают соответствовать квазистатической нагрузке.

Рисунок А.1 - Образец для испытаний по ГОСТ 34750 (толщина образца d: 2  0,5 мм)

А.3.3 Испытание на квазистатическую прочность соединений на низкопрочных клеях

Испытание на растяжение и срез выполняется на образцах, соединенных внахлест Длина нахлеста составляет 12-20 мм. Отношение длины нахлеста и толщины клеевого слоя составляет 4:1, такие образом, при длине нахлеста 12 мм толщина клеевого слоя равна 3 мм, а в случае нахлеста длиной 20 мм - 5 мм. Толщина соединяемых элементов выбирается таким образом, чтобы не произошло их разрушения или значительного сгиба. Ширина образца должна составлять 20-35 мм. Пример геометрии представлен на рисунке А.2. Испытание выполняется с коэффициентом скорости сдвига , равной 0,1 с ^-1.

Скорость сдвига вычисляют по формуле

.

(А.3)

При начальной толщине клеевого слоя d ₀ = 3 мм получают скорость испытания 18 мм/мин, при начальной толщине клеевого слоя d ₀ = 5 мм - 30 мм/мин. Скорость испытания постоянна.

Рисунок А.2 - Пример образца для испытаний на прочность соединений низкопрочными клеями

А.3.4 Испытание на релаксационную деформацию соединений на низкопрочных клеях при продольном нагружении

Испытание давлением выполняют на цилиндрических образцах с геометрией, изображенной на рисунке А.3. Образец проверяют с коэффициентом скорости деформации , равной 0,05 с^-1. Скорость испытания , мм·с^-1, вычисляют по формуле

,

(А.4)

,

.

Рисунок А.3 - Образец для испытания давлением

А.3.5 Испытание на релаксационную деформацию соединений на низкопрочных клеях методом сдвига

Допустимое адгезионно-зависимое растяжение из-за постоянно действующей деформации клея определяют путем испытаний на сдвиг соединения внахлест при статической нагрузке с постоянным смещением соединяемых частей и последующим воздействием на них заданного сдвига в течение более длительного периода времени (1000 ч).

Значение релаксационной деформации ниже минимального значения сдвига, при которой происходит когезионное разрушение. Необходимо удостовериться в том, что в обычных температурных и влажностных условиях, а также для обычных поверхностей и материалов не происходит адгезионного разрушения. Возможна геометрия образца в соответствии с А.3.3.

А.3.6 Испытание на ползучесть соединений на низкопрочных клеях

Испытания на сдвиг при растяжении могут быть проведены для определения напряжения при постоянной статической нагрузке. Геометрия образца должна соответствовать А.3.3. Время сдвига определяют в ходе испытаний, которые отражают наиболее неблагоприятные условия эксплуатации, указанные в перечне требований (обычно высокие температуры и влажность) с различными нагрузками.

Испытания проводят следующим образом: образцы подвергают постоянной нагрузке в течение 3 мес, при этом измеряют смещение соединяемых частей относительно друг друга. Законы ползучести включают параметры J ₀, A ₀, m, n, которые используют в формулах (А.5)-(А.8).

Податливость ползучести вычисляют по формуле

,

(А.5)

где

,

(А.6)

.

(А.7)

Сползание вычисляют по формуле

.

(А.8)

С помощью формул (А.5)-(А.8) рассчитывают зависимость среза от времени для типовых испытательных нагрузок. Для определения нагрузок ползучести можно провести предварительные испытания.

А.3.7 Испытание колебательных характеристик соединений на низкопрочных клеях

Для гиперэластичных или резиново-эластичных клеев измеряют кривые Веллера (кривые усталости) с контролем хода, так как подобный тип нагрузки наиболее близок к области применения. При оценке кривых Веллера указывают 95 %-ный доверительный предел и интервал прогнозирования. Если статистическая оценка кривых Веллера с контролем хода приводит к слишком большой погрешности, так как невозможно с требуемой точностью определить время разрушения, то используют кривую Веллера с контролем по нагрузке с указанием амплитуды начального пути после фазы начальных колебаний. Проверяют, что во время испытания сохраняется среднее состояние (среднее напряжение, средняя деформация). Частота испытания выбирается таким образом, чтобы во время испытания клей в соединении не нагревался более чем на 10 °C. Планирование и оценка испытаний Веллера проводится согласно ГОСТ 25.101 и ГОСТ 25.507. Геометрия образца соответствует А.3.3. Перекрывание вследствие деформации ползучести проверяют с помощью средней нагрузки, отличной от нуля.

А.3.8 Испытание коэффициентов трения фиксаторов резьбовых соединений

Для описания характеристик коэффициентов трения под головкой болта и в резьбовой части фиксаторов резьбовых соединений проводят испытание. Испытания необходимо проводить согласно ГОСТ ISO 16047. Перед завинчиванием сменной гайки на проверяемый болт необходимо нанести резьбовой фиксатор на резьбовую часть сменного болта.

Примечание - Испытания проводят как для низкопрочных, так и для высокопрочных резьбовых фиксаторов.

А.4 Испытания высокопрочных клеев

А.4.1 Определение модуля упругости, коэффициента поперечного сжатия и кривой прочности с помощью испытания на растяжение клея

Для определения базовых параметров клея (модуля упругости, коэффициента поперечного сжатия, кривой прочности) применяют испытания клея. Пример геометрии приведен на рисунке А.1. Испытания выполняют со скоростью деформации , равной 0,005 с ^-1. Скорость испытания рассчитывают по формуле (А.2). Геометрию образца выбирают согласно ГОСТ 11262 или другим способом.

А.4.2 Испытание прочности при сдвиге

Прочность клеевого соединения при сдвиге испытывают для металлов и (гомогенных) полимерных материалов при приложении растягивающей нагрузки по ГОСТ 14759 и ГОСТ Р ИСО 11003-2 (см. также [3] и [4]) с испытательной скоростью, соответствующей начальной скорости сдвига 0,01 с ^-1. Скорость испытания устанавливают согласно ГОСТ Р ИСО 11003-1 (см. также [5]). Она составляет 0,12 мм/мин при толщине клеевого слоя, равной 0,2 мм. В случае отклонения толщины клеевого слоя от рекомендуемой скорость испытания выбирают так, чтобы скорость сдвига составляла 0,01 с ^-1. Для расчета скорости испытания применяют те же соотношения, что и в А.3.3.

Для испытания прочности клеевого соединения композитов и волокнистых композитов с металлами см. [6].

А.4.3 Испытание поведения ползучести для высокопрочных клеевых соединений

Поступают аналогично А.3.6. Геометрия образца соответствует А.4.2.

А.4.4 Испытание вибрационного поведения для высокопрочных клеевых соединений

Измеряют кривые Веллера с контролем по нагрузке, так как этот тип нагрузок наиболее близок к области применения. При оценке кривых Веллера указывают 95 %-ный доверительный предел и интервал прогнозирования. Частота испытания выбирается таким образом, чтобы во время испытания клей в соединении не нагревался более чем на 10 °C. Планирование и оценку испытаний Веллера выполняют согласно ГОСТ 25.101, ГОСТ 25.507. Геометрия образца соответствует А.4.2. Перекрывание вследствие деформации ползучести проверяют с помощью средней нагрузки, отличной от нуля.

А.5 Дополнительные испытания, измерение значений pH для отвержденных клеев в условиях повышенной влажности

Под воздействием влаги из клея могут высвобождаться вещества, которые могут привести к коррозии поверхности соединяемых деталей. Дальнейшая щелевая коррозия часто приводит к постепенной потере адгезии и к разрушению клеевого соединения. В качестве примера можно привести алюминиевые поверхности, которые стабильны только в определенном диапазоне pH, это значение зависит от сплава. Следует избегать клеев, которые под воздействием влаги образуют водную среду, pH которой выходит за пределы диапазона стабильности для соответствующих поверхностей.

Для контроля значений pH небольшие кусочки отвержденного клея (размером 10  10 мм и толщиной 0,5 мм) выдерживают в деионизированной воде (объемом 100 мл) при температуре 40 °C в течение 30 дней. Затем измеряют значение pH с помощью индикаторной бумаги, оно должно быть между pH 6 и pH 8. Одновременно испытывают два образца.