Характер разрушения окн. Различие законов снижения усталостной прочности границы «корд-резина» и резины между нитями корда

 

Кроме прочностных, усталостных и динамических показателей, имеющих численные значения, важную роль играет качественный показатель - характер разрушения РКК в процессе эксплуатации. В самом деле, детальное знание места и механизма образования и разрастания очага разрушения позволит укреплять наиболее слабое звено РКК – границу «корд-резина» или резину между нитями корда.

По результатам проведенных испытаний были выявлены следующие виды разрушения ОКН.

1. Разрушение по границе «корд-резина». Наблюдается при прочностных испытаниях (растяжение с постоянной скоростью до разделения образца на части). По этому механизму рвутся все резинотекстильные и резинометаллокордные образцы типа ОКН, изготовленные в лаборатории из обрезиненного корда и вырезанные из готовых шин, при любых скоростях растяжения (от 0.1 мм/мин до 1000 мм/мин), при любых значениях угла j между направлением нити корда и осью растяжения ОКН (от 10^о до 90^о), при комнатной и повышенной температурах (20^оС и 80^оС), после всех исследованных видов старения (тепловое, паро-воздушное, с ограниченным доступом воздуха). Также наблюдается при усталостных испытаниях при базах утомления до 100 циклов.

Разрушение по границе имеет свои особенности для резинотекстильных и резинометаллокордных образцов.

Для металлического корда:

1.1 Граница темного цвета, четко повторяет рельеф корда. Если исходить из того, что РКК состоит из следующих слоев: резина; модифицированный тонкий слой резины; латунь; сталь, то указанный вид разрушения проходит по границе между резиной и тонким модифицированным слоем.

1.2 Граница желтого цвета без следов резины. Разрушение идет между слоем латуни и модифицированным слоем резины.

1.3 Граница белого цвета. Разрушение идет по границе между слоем латуни и стальным кордом.

Для текстильного корда:

1.4 Граница темного цвета, повторяет рельеф корда. Если исходить из того, что резинотекстильный композит состоит из следующих слоев: резина; адгезионный слой; корд, то разрушение идет между резиной и адгезионным слоем.

1.5 Граница имеет цвет корда, повторяет рельеф корда. Разрушение происходит между адгезионным слоем и кордом.

1.6 Граница разрушения имеет ворсистый вид. Разрушение захватывает поверхность корда.

2. Разрушение по резине. Поверхность имеет вид рваного раздира. Рельеф корда не просматривается. Наблюдается при всех усталостных испытаний при базах утомления более 1000 циклов. По этому механизму рвутся все резинотекстильные и резинометаллокордные образцы, изготовленные в лаборатории из обрезиненного корда и вырезанные из готовых шин, при любых значениях угла j между направлением нити корда и осью растяжения ОКН (от 10^о до 90^о), при комнатной и повышенной температурах (20^оС и 80^оС), после всех исследованных видов старения (тепловое, паро-воздушное, с ограниченным доступом воздуха).

3. Разрушение, инициированное раскручиванием нитей корда. Приведенная систематизация явилась обобщением большого числа прочностных и усталостных испытаний практически всех видов кордов, используемых в шинной промышленности. Из этого правила обнаружено всего два исключения.

Первое: ОКН, заготовленные из каркаса ЦМК шин производства ф. Мишлен, даже в статике разрушаются исключительно по резине, не говоря об усталости.

Второе: ОКН, заготовленные из опытной партии грузовых шин с использованием терлонового корда, даже при усталостных испытаниях (не говоря о статике) разрушались по границе по типу 1.5. (Заметим, что в дальнейшем этот дефект был ликвидирован).

Иногда типы разрушения оказываются смешанными. Например, при базах утомления от 100 до 1000 циклов наблюдается поверхность, когда зоны рваного раздира перемежаются с зонами, где прослеживается рельеф корда.

Где тонко, там и рвется. В нашем случае: где менее прочно, там и рвется. Как же так получается? Один и тот же образец рвется по-разному в статике и при усталостном утомлении. Значит, в статике прочность границы ниже прочности резины, а при усталостном утомлении наоборот – прочность резины ниже прочности границы.

Попробуем дать объяснение этому с точки зрения механики.

Известно, что модуль резины не константа. Значения модуля могут быть существенно различными в зависимости от вида деформирования. Например, модуль при одноосном растяжении выше модуля при простом сдвиге и ниже модуля при чистом сдвиге. Модуль объемного (всестороннего) сжатия резины на 3 – 4 порядка выше любого модуля при двухосном деформировании.

Корд, особенно металлический, значительно более жесткий материал, чем резина. Поэтому его поверхность остается не деформированной при деформировании всего РКК. Значит, приповерхностный слой резины испытывает трехосное НДС, в котором, как указано выше, его модуль очень высок. Если вспомнить, что при растяжении ОКН нагрузка во всех параллельных сечениях одинакова, то можно заключить, что плотность энергии, накапливаемой в приграничном слое, будет существенно меньше плотности энергии в резине, удаленной от поверхности корда. В самом деле, для линейных пружин энергия U при заданном напряжении s имеет вид:

,

поэтому чем выше Е, тем меньше U.

Итак, в процессе усталостного утомления плотность энергии деформации в приграничной резине во много раз меньше, чем в резине, удаленной от поверхности. Следовательно, больше утомляться и быстрее терять усталостную прочность будет резина, удаленная от поверхности. Схематично эту картину можно представить следующим образом (рис. 4.4.1):

При однократном утомлении (растяжение с постоянной скоростью до разрыва) утомления не происходит и, следовательно, не происходит падения прочности. Рвется по границе, значит, статическая прочность резины выше, чем границы.

В процессе утомления усталостная прочность s падает у резины быстрее, чем у приграничного слоя. При некотором критическом числе циклов N_крит прочности s_рез(N) и s_гр(N) сравниваются. Далее усталостная прочность резины всегда будет меньше усталостной прочности приграничного слоя.

В приведенных рассуждениях есть дефект. Приграничный слой не абсолютно жесткий, как может показаться из вышесказанного. Дело в том, что он может испытывать сдвиговые деформации без изменения объема. Хотя вероятность этого мала по причине далеко не плоской поверхности корда.

Из приведенных рассуждений и результатов эксперимента следуют определенные практические выводы. Может быть, надо больше сил тратить на улучшение свойств резины, а не границы? Мы к этому вернемся, когда будем анализировать попытки применения предлагаемой методологии в разделе 5.4.

Теперь пора вспомнить про третий вид разрушения – раскручивание нитей корда. Этот вид наблюдается и в статике, и в усталости. Чаще он проявляется при j > 45^о. Это связано с тем, что раскручивание происходит под действием нормальной составляющей общего напряжения, а она тем выше, чем больше угол.

Причиной раскручивания является наличие свободных кромок, а также нарушения, вносимые в строение корда при его резке механическим способом. В этой связи важны результаты сравнительных испытаний ОКН, заготовленных механическим способом (пневмо - или электроножницы) и с помощью лазера.

Данный вид разрушения особо важен, т.к. он характерен для одного из наиболее уязвимых мест шины – кромок брекера.

В процессе испытаний определяли e_разр., s_разр., s₁₀, s₂₀, s₃₀, s₄₀, s₅₀, lgN(lge), а также те же показатели после паро-воздушного старения (Т=90С, t=96час). ОКН на основе резины 2э-2551 с кордом 28л22. Некоторые предварительные результаты следующие.

1. При испытаниях на прочность ОКН, заготовленных механическим способом, наблюдалось распутывание нити корда по кромкам. Для ОКН, заготовленных лазером, такого вида разрушения не наблюдалось. По этой причине e_разр. и s_разр образцов с лазерной резкой несколько выше. Та же тенденция наблюдается и при усталостных испытаниях, причем разброс данных меньше для образцов с лазерной резкой.

2. После паро-воздушного старения свойства ОКН с механической резкой падают больше, чем свойства ОКН с лазерной резкой. Возможное объяснение - в затруднении проникновения влаги через торцы корда, заваренные лучом лазера.

3. Режим резки лазером требует оптимизации. Мощность луча должна быть достаточно высокой для обеспечения меньшего нарушения структуры резины, но вместе с тем не слишком большой для хорошего заваривания (заплавления) торцов корда, а не испарения металла.

4 Работу следует выполнить для сырого РК - полотна с последующей вулканизацией ОКН, что представляет собой дальнейшее приближение к условиям заготовки брекера в технологическом процессе.

 

Приведенные выводы не подкреплены, как обычно, таблицами и графиками. Эти данные в настоящее время конфиденциальны.