Особенности спада высокоэластической деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения
Представлены результаты исследований развития и спада высокоэластической (ВЭ) деформации в органических стеклах марок ВОС-2 (сополимер с редко сшитой структурой) и СО-120 (полимер с линейной структурой) при «мгновенном» и «принудительном» снятии нагрузки в диапазоне рабочих температур. Выявленные в экспериментах особенности спада ВЭ деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения, показывают целесообразность учета такой деформации при проектировании фонарей кабин перспективных самолетов.
Введение
Авиационные органические стекла являются важными конструкционными неметаллическими материалами [1–6]. Наряду с металлическими материалами внешнего контура самолета они призваны обеспечить необходимые прочностные характеристики изделия, обладая при этом высокими оптическими свойствами. В остеклении современных самолетов органические стекла являются основным материалом, занимая от 80 до 100% всей площади остекления.
С развитием авиации, ростом скоростей и высоты полетов требования к прочностным характеристикам стекол постоянно возрастали. Это требовало создания и освоения промышленностью новых материалов [7–10]. Для дозвуковых (число Маха М<1) и кратковременных (3–15 мин) сверхзвуковых (М≤2,1) полетов требовались оргстекла, способные эксплуатироваться в интервале температур от -60 до +100°C. При появлении самолетов, способных к полетам со скоростью М≥2,5, максимальные температуры на поверхности стекол достигли ≥200°C.
Материалы и методы
В данной работе в качестве объектов исследования выбраны органические стекла марок СО-120 и ВОС-2 [11, 12]. Стекло СО-120 – полимер линейного строения на основе непластифицированного полиметилметакрилата (ПММА), которое до настоящего времени является одним из основных материалов остекления. Ранее в неориентированном состоянии стекло СО-120 пытались применить на самолетах с температурой на поверхности до 135°C. Стекло ВОС-2 – сополимер частично сшитой структуры на основе метилметакрилата и метакриловой кислоты – является новым теплостойким оргстеклом, рекомендованным для применения в деталях остекления с температурой на поверхности от аэродинамического нагрева до 200°C.
Опыт эксплуатации показал, что наиболее опасными температурными условиями в полетах являются температуры внешних слоев остекления, близкие к температуре размягчения Tр.
При оценке прочности авиационного остекления на основе органических стекол считается, что они работают в области упругих деформаций. В расчетах и прочностных испытаниях обычно определяют напряжения, создаваемые аэродинамическими нагрузками, избыточным давлением в кабине и неравномерным распределением температуры по толщине остекления.
В реальности изделия остекления работают в области упруго-высокоэластических деформаций и в них возникают остаточные напряжения [13–15], причем в остеклении не только сверхзвуковых самолетов, но и самолетов, летающих на дозвуковых скоростях. Значительные остаточные напряжения замечены в остеклении из стекла марки СО-120 (Tр=120°C) самолетов, летающих со скоростью до М<2,3, а также в остеклении из стекла марки Э-2 (Tр=180°C) на самолетах, выполнявших полеты при М≥2,6. В деталях остекления наблюдались значительные остаточные деформации, а в отдельных случаях даже происходило их растрескивание.
Причины возникновения на поверхности остекления остаточных напряжений связаны с релаксацией температурных напряжений сжатия при нагреве остекления, либо усадочных деформаций, связанных с технологией изготовления стекол. С усовершенствованием технологии усадочные деформации были устранены, но остаточные температурные напряжения, вызванные релаксацией, сохранились [16–20].
Ранее [13, 15] при исследовании закономерностей деформирования органических стекол марок СО-120 и ВОС-2 при знакопеременных нагружениях установлено, что при температурах, близких к Tр, начальная общая деформация (ε0) практически полностью переходит в высокоэластическую (ВЭ) деформацию (εВЭ). При разгрузке образцов полнота спада ВЭ деформации определяется как
,
где εост – остаточная ВЭ деформация достигала максимума (~50%) при температуре ~(Tр-45)°C и с дальнейшим повышением температуры до Tр ее значение снижалось почти до нуля.
Приведенная на рис. 1 диаграмма растяжения органического стекла марки ВОС-2 до ε0=0,8% при 140°C показывает, что при смене полуцикла нагружения нерелаксировавшая часть ВЭ деформации переходит в качестве остаточной деформации εост во второй полуцикл нагружения. С повышением температуры величина остаточной деформации приближается к величине общей деформации, поскольку наклон нагрузочной ветви уменьшается и сокращается время разгрузки.
Рисунок 1. Диаграмма деформирования образца оргстекла ВОС-2 при температуре 140°С с выдержкой 300 с при постоянной деформации и последующей ступенчатой разгрузкой
В полете самолета возможны случаи, когда температура слоев стекла у внешней поверхности остекления достигает температур ≤(Tр+30)°C и на режиме торможения разгрузка (снижение общей деформации) этих слоев из-за изменения температуры по толщине остекления начинается при температуре, превышающей Tр. Смена полуцикла нагружения произойдет в слоях при температуре ≤Tр при возникновении напряжений растяжения.
При моделировании температурных напряжений с учетом их релаксации возникает вопрос, какая часть ВЭ деформации, развившаяся в первом полуцикле нагружения, не успевает за время разгрузки спасть и переходит как остаточная деформация во второй полуцикл нагружения.
Из приведенного выше предполагается, что вся ВЭ деформация, возникшая в первом полуцикле и равная общей деформации ε0, перейдет в виде остаточной во второй полуцикл. Однако в работе [21] на основании экспериментов с образцами полиметилметакрилата (ПММА), в которых они подвергались растяжению до ε0=30%, отмечается, что при температурах, близких к Tр, наблюдалось полное и почти мгновенное, судя по кривым ε(τ), восстановление (спад ВЭ деформации) деформированных образцов. С учетом больших деформаций, в ~30 раз превышающих максимально возможные в остеклении самолетов, и масштаба приведенных графиков (10 мм соответствуют 20 ч), в то время как в полете процесс разгрузки слоев стекла у внешней поверхности длится от 60 до 90 с, потребовалось проверить, как протекает спад ВЭ деформации при разгрузке авиационных органических стекол в условиях, близких к условиям полета по величинам ε0, скорости деформирования, времени разгрузки.
Для этого проведены два эксперимента (рис. 2). В эксперименте 1 образцы оргстекла марки СО-120 нагревали до температур 90, 105, 120 и 131°C, а оргстекла марки ВОС-2 – до температур 105, 130, 145 и 151°C. После достижения заданной температуры нагрева каждый образец подвергали растяжению до ε0=0,9%, выдерживали при ε0=const в течение 5 мин, после чего нижний конец образца освобождали из захвата и происходило «мгновенное» снятие нагрузки.
Рисунок 2. Диаграммы «деформация–время эксперимента» для оргстекла марки ВОС-2 при температуре 130°С
в эксперименте 1 (а) и 2 (б):
Δεупр.раз – упругая деформация, снимающаяся при «мгновенной» разгрузке образца; εост – высокоэластическая (ВЭ) деформация, оставшаяся после снятия упругой деформации; 
– величина снижения деформации, равная величине ВЭ деформации, резвившейся за время нагружения; 
– время, за которое деформация снижается на величину, равную величине ВЭ деформации, развившейся за время нагружения; ΔεВЭ восст – величина восстановления ВЭ деформации после снятия нагрузки с образца
В эксперименте 2 каждый образец также подвергали нагреву до указанных температур, нагружали до ε0=0,9%, выдерживали в течение 5 мин при ε0=const, а затем разгружали до ε0=0 с приложением сжимающей нагрузки P – «принудительное» снятие нагрузки со скоростью, превышающей равновесную, и освобождали его из захвата. Такой эксперимент имитирует условия деформирования слоя остекления в полете, возникающие из-за распределения температуры по толщине. Скорость деформирования при нагружении и разгрузке составляла 0,17∙10-3 c-1 и соответствовала средней скорости деформирования остекления в полете. Во всех экспериментах записывали диаграммы «нагрузка–деформация» и «деформация–время эксперимента».
Результаты
Из полученных данных видно, что в эксперименте 1 после освобождения образца деформация снижалась на упругую составляющую Δεупр.раз и далее происходил спад ВЭ деформации.
В эксперименте 2 с «принудительной» разгрузкой до ε0=0 после освобождения образца восстанавливалась упругая деформация сжатия, соответствовавшая нагрузке P, и не успевшая спасть часть ВЭ деформации растяжения ΔεВЭ восст. Далее ВЭ деформация продолжала спадать с уменьшенным темпом.
Результаты экспериментов представлены в виде графиков спада ВЭ деформации при различных температурах после «мгновенного» (рис. 3) и «принудительного» (рис. 4) снятия нагрузки. В таблице приведены данные, определенные
по диаграммам «нагрузка–деформация»:
– величины ВЭ деформации, развивающейся за время нагружения и полной деформации где – ВЭ деформация, развивающаяся за время выдержки при ε0=const;
– величины остаточной ВЭ деформации εост при нагрузке P=0;
по диаграммам «деформация–время эксперимента»:
– деформации упругой разгрузки Δεупр.раз=ε0-εВЭ в эксперименте 1;
– продолжительность спада ВЭ деформации после освобождения образца в эксперименте 1 на величину, равную
– величины остаточной ВЭ деформации εост через 20 мин после освобождения образца в экспериментах 1 и 2;
– величины восстановления ВЭ деформации ΔεВЭ восст после освобождения образцов в эксперименте 2.
Рисунок 3. Спад ВЭ деформации после «мгновенного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и СО-120 (б)
Рисунок 4. Спад ВЭ деформации после «принудительного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и СО-120 (б)
Данные экспериментов для случаев «мгновенного» (1)
и «принудительного» (2) снятия нагрузки
Органическое стекло | Условный номер эксперимента | Tемпература испытаний, °С | εВЭ·103 | 103 |
| Δεупр.раз·103 | εост·103 | ΔεВЭ восст·103 | |
при P=0 | через 1200 с | ||||||||
СО-120 | 1 | 90 | 4,6 | 3,6 | 205 | 5,9 | 3,1 | 0,2 | – |
105 | 5,5 | 2,6 | 218 | 3,8 | 5,2 | 1,5 | – | ||
120 | 8,8 | 7,0 | 1361 | 0,2 | 8,8 | 2,6 | – | ||
131 | 9,00 | – | – | – | – | 0 | – | ||
2 | 90 | 3,3 | 2,1 | – | – | 2,0 | 0,5 | 1,1 | |
105 | 4,5 | 1,7 | – | – | 4,0 | 1,6 | 2,3 | ||
120 | 8,9 | 7,7 | – | – | 8,8 | 0,1 | 1,4 | ||
ВОС-2 | 1 | 105 | 4,7 | 2,2 | 188 | 4,4 | 3,0 | 0,6 | – |
130 | 7,7 | 4,9 | 856 | 1,3 | 8,1 | 5,3 | – | ||
145 | 8,9 | 8,0 | 1773 | 0,1 | 8,6 | 1,6 | – | ||
151 | 9,0 | – | – | – | – | 1,1 | – | ||
2 | 105 | 4,6 | 2,9 | – | – | 2,9 | 0,9 | 1,7 | |
130 | 7,8 | 5,6 | – | – | 6,9 | 1,7 | 2,8 | ||
145 | – | – | – | – | 8,8 | 1,6 | 1,8 | ||
На основании полученных данных следует отметить некоторые особенности спада ВЭ деформации при повышении температуры испытаний органических стекол до Tр:
– в процессе спада деформации выделяются две стадии, отмеченные в работе [21], – начальная, сравнительно быстрая и замедленная;
– продолжительность спада величины ВЭ деформации, равной развившейся за время нагружения, увеличивается для обеих марок оргстекол;
– остаточная ВЭ деформация, определенная через 20 мин после освобождения образцов, имела довольно значительные величины, причем для обеих марок оргстекол с повышением температуры до 0,9–1,0 от Tр ее значения возрастали, а при температурах, превышающих Tр, снова снижались.
При температурах выше Tр в эксперименте 1 спад ВЭ деформации ускоряется, но не становится мгновенным. Через 100 с после освобождения образцов ВЭ деформация уменьшалась с 0,9 до 0,15% у оргстекла марки СО-120 и до 0,45% у оргстекла марки ВОС-2. Полный спад ВЭ деформации произошел у оргстекла марки СО-120 через 240 с, а у оргстекла марки ВОС-2 – через 600 с спад ВЭ деформации замедлился, и через 20 мин остаточная деформация составила 0,11%.
Обсуждение и заключения
Материалы экспериментов позволяют сделать следующие выводы, касающиеся определения температурных напряжений с учетом процессов спада ВЭ деформации в органическом остеклении при его нагреве выше температуры Tр:
– при нагреве внешних слоев остекления в полете до температуры ≥Tр общие деформации в них, определяемые распределением температуры по толщине, переходят в ВЭ деформации;
– при режиме торможения самолета и охлаждения остекления до температуры Tр будет происходить с замедляющимся темпом спад ВЭ деформаций сжатия, возникших в слоях стекла при нагреве;
– при температуре слоев ≤Tр (в момент смены полуцикла нагружения) остаточные ВЭ деформации в слоях равны общим деформациям в этих слоях, соответствующим распределению температуры по толщине остекления в момент смены полуцикла в данном слое.
Выявленные в экспериментах особенности спада ВЭ деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к Tр, показывают целесообразность их учета при проектировании фонарей кабины перспективных самолетов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП «ВИАМ».
- Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
- Яковлев Н.О. Исследование и описание релаксационного поведения полимерных материалов (обзор) //Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. C. 50–54.
- Состав для получения органического стекла: пат. №2340630 Рос. Федерация; опубл. 01.08.2007.
- Ткачук А.И., Гребенева Т.А., Чурсова Л.В., Панина Н.Н. Термопластичные связующие. Настоящее и будущее //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 07 (viam-works.ru).
- Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
- Петров А.А., Климова С.Ф., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Новые акрилатные органические стекла частично сшитой структуры //Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. №4. С. 70–72.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
- Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Климова С.Ф., Богатов В.А. Новые «серебростойкие» органические стекла //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 45–48.
- Состав для получения органического стекла: пат. №2277105 Рос. Федерация; опубл. 13.05.2005.
- Петров А.А., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А. Исследование особенностей изготовления деталей остекления из частично сшитых органических стекол //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 32–34.
- Горелов Ю.П., Чмыхова Т.Г., Шалагинова И.А. Новые органические стекла для авиастроения //Пластические массы. 2009. №12. C. 20–22.
- Мекалина И.В., Богатов В.А., Тригуб Т.С., Сентюрин Е.Г. Авиационные органические стекла //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 04 (viam-works.ru).
- Яковлев Н.О., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г. Особенности упруго-высокоэластического деформирования органических стекол линейной и редко сшитой структур //Материаловедение. 2015. №3. С. 16–22.
- Яковлев Н.О. Влияние высокоэластической деформации на напряженно-деформированное состояние авиационных органических стекол: Автореф. дис. к.т.н. М. 2013. 24 с.
- Харитонов Г.М., Хитрова О.И., Яковлев Н.О., Ерасов В.С. Закономерности поведения ВЭ деформаций в авиационных стеклах из линейных и поперечносшитых полимеров при знакопеременных нагружениях //Авиационная промышленность. 2011. №3. С. 28–32.
- Яковлев Н.О. Релаксационное поведение органического стекла на основе полиметилметакрилата //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. №5. Т. 81. С. 57–60.
- Харитонов Г.М., Хитрова О.И., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С. и др. Влияние эксплуатационных условий нагружения на упругопластические характеристики авиационного органического остекления //Авиационная промышленность. 2006. №2. С. 43–48.
- Яковлев Н.О. Оценка границ области релаксационного поведения органического стекла на основе полиметилметакрилата //Пластические массы. 2015. №1–2. С. 36–39.
- Яковлев Н.О., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Харитонов Г.М. Релаксация остаточных напряжений в авиационных органических стеклах при послеполетной стоянке самолета //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2 (23). С. 66–69.
- Яковлев Н.О., Ерасов В.С., Сентюрин Е.Г., Харитонов Г.М. Комплекс методик оценки физико-механических характеристик органических стекол с учетом влияния высокоэластической деформации //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №10. С. 6–11.
- Аржаков М.С. Обобщенное описание механических и релаксационных свойств полимерного стекла: Автореф. дис. д.х.н. М. 2004. 48 c.