Автоматические промышленные средства для испытаний полимеров на ползучесть

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»

факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра автоматизации технологических процессов

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

Тема: «Автоматические промышленные средства для испытаний полимеров на ползучесть»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы МП-14-06

Науменко Анжелика Вячеславовна

 

                  Проверил: доцент

                                                       Салащенко Владимир Андреевич

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Москва, 2017 г.

Оглавление

 

 

 

Введение.

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Полимеры весьма разнообразны по своему составу, методам получения и свойствам. Это обстоятельство и предопределило быстрое внедрение их в различные области техники, в том числе в строительную, где они нашли широкое применение. В строительной технике полимеры без наполнителей и других добавок применяют сравнительно редко ввиду хрупкости, недостаточной прочности и высокой их стоимости. В строительстве полимеры используют главным образом в виде пластмасс, полимерных материалов и изделии и конструкций из них.

Измерения механических свойств пластмасс наиболее распространенная группа экспериментов в научных исследованиях и инженерных приложениях, связанных с полимерами. Они используются для сравнительной оценки материала, как метод контроля технологического процесса, для определения областей применения данной пластмассы, как способ характеристики строения вещества и для многих других целей, выбор которых ограничен только творческой фантазией исследователя или конкретными задачами производства. Одной из групп методов испытаний является: различные варианты долговременных испытаний, в том числе измерения релаксации и ползучести.

Вследствие проявления в полимерах релаксационных процессов с широким временным спектром их испытания проводят в большом интервале времени воздействия или температур, используя принцип температурно-временной суперпозиции. В ряде случаев механическую работоспособность полимеров оценивают сканирующими методами, например, в условиях линейно возрастающей температуры.

Полимерные материалы более чувствительны к режиму испытаний, чем металлы, поэтому требования даже к однотипному испытательному оборудованию для полимеров и металлов могут отличаться, в частности, по диапазонам нагрузок, деформации, скоростей деформирования, рабочих температур и т. п.

1. Классификация методов измерения, анализ влияния факторов на измерение

1. Классификация методов измерения ползучести.

Ползучестью называют медленную пластическую (необратимую) деформацию изделия под действием созданного в материале напряжения. Строго говоря, способность к деформации под напряжением также называют ползучестью. Когда говорят о большей или меньшей скорости деформации под напряжением, также говорят о большей или меньшей ползучести.

Особенный интерес для специалистов по применению полимеров в условиях длительного нагружения представляет оценка их ползучести. Анализ ползучести и релаксации напряжения весьма интересны также с точки зрения теории вязкоупругости. Для оценки ползучести эластомеров или релаксации напряжений в них могут использоваться чрезвычайно простые методы. В случае жестких материалов измерения несколько усложняются и требуют применения специальных приборов. Для этого необходимы точные измерения малых деформаций или скоростей деформирования.

В общем случае ползучесть у кристаллических веществ меньше, чем у аморфных. На примере полимеров – увеличение степени кристаллизации полимера заметно снижает скорость его деформации под действием напряжения.

Для демонстрации ползучести и численного описания ее величины используют образец материала, деформированный на фиксированную величину. Образец сжимают или растягивают, создавая соответственно напряжение сжатия или растяжения, с возможностью измерения напряжения, и оставляют в зафиксированном виде на длительное время. Постепенная деформация образца приводит к снижению созданного напряжения во времени по экспоненциальному закону. Время, за которое напряжение снизится в некоторое количество раз, называют «временем релаксации напряжений», присущим данному материалу.

Время релаксации напряжений довольно однозначно описывает ползучесть конкретного материала, но трудно применимо для практических расчетов.

Рис. 1. Зависимость напряжения от времени (определение времени релаксации)

В инженерных расчетах используют понятие «предела ползучести» материала – напряжение, которое за заданный период времени при заданной температуре приведет к заданной деформации образца.

Рис.2. Нахождение предела ползучести.

Все напорные трубы из полимеров номинально рассчитаны на 50-летнюю эксплуатацию при заданном внутреннем давлении. Условие успешной эксплуатации – отсутствие разрыва в течение заданного срока. Поэтому предел ползучести полимеров определяют не для какой-то заданной величины деформации, а для полного разрыва образца в течение 50 лет при постоянной температуре 20°С.

Для полимеров предел ползучести имеет особое название. В международном (английском) оригинале – Minimum required strength (MRS). В русской версии – «Минимальная длительная прочность» или «Долговременная прочность» полимера.

В зависимости от температурных условий разделяют следующие методы измерения:

-измерение  характеристик в изотермических  условиях

-измерение  ползучести полимеров в условиях  постоянно возрастающей температуры.

В зависимости от видов нагружения методы измерения делятся на:

-при растяжении

-при сжатии.

Для оценки ползучести полимеров используют следующие параметры:

-деформацию, накопленную за данное время

-среднюю  скорость ползучести

-коэффициенты  ползучести.

Кроме этого принцип измерения ползучести основываются на:

-применении  фотоэлемента

-применении  рычажного механизма.

Для определения параметров ползучести в зависимости от метода строятся:

-кривые деформации

-термомеханические  кривые.

По способу нагружения материалов измерения проводят:

-с непосредственным  нагружением

-с нагружающим  устройством рычажного типа.

1.2 Влияние  факторов на измерение.

1. Агрессивные среды

При действии механических нагрузок ползучесть полимерных материалов в агрессивных средах изменяется (как правило возрастает) по сравнению с ползучестью на воздухе в результате протекания следующих процессов:

-адсорбции компонентов агрессивной среды, приводящей к понижению поверхностной энергии на границе полимер-среда;

-сорбции компонентов агрессивной среды, приводящей к набуханию полимера;

-деструкции, приводящей к распаду химических связей. Как правило, при одновременном действии механического поля и агрессивных сред развиваются значительные деформации.

2. Температура

В первом приближении зависимость скорости ползучести и релаксации напряжения от температуры может быть предсказана по кривым модуль-температура. На рис. показаны кривые ползучести и релаксации напряжения аморфных полимеров при разных температурах, соответствующих различным частям кривой модуль-Температура. Следует отметить, что эти кривые построены в логарифмической шкале времени. Разница между кривыми для различных температур была бы значительно резче, если бы использовалась линейная шкала. Скорость ползучести аморфных полимеров или релаксации напряжений в них мала при низких температурах. Для кристаллических полимеров она мала и при температура значительно превышающих аморфной фазы.

3. Влажность.

При повешенной влажности, параметры ползучести резко изменяется.

4. Кроме вышеперечисленных  факторов на измерение влияют  также старение, скорость нагружения, неоднородность материала.

2. Неразрушающие методы    и приборы.

Полимерные материалы находят все более широкое применение в промышленности. Сегодня очевидным фактом является то, что обеспечение надежной и безопасной эксплуатации ответственных высоконагруженных конструкций из них (строительных конструкций, грузоподъёмных сооружений, трубопроводов, сосудов давления, и т.п.) требует разработки и применения на всех стадиях жизненного цикла конструкций специальных методов неразрушающего контроля. Последние должны в соответствии с действующей нормативно-технической документацией обеспечивать:

- надежное  обнаружение как технологических  дефектов – на стадии изготовления, так и эксплуатационных – на  стадии эксплуатации изделия (конструкции;

- идентификацию  топологии выявленных дефектов (координат  расположения, конфигурации и размеров), используя информационные признаки, связанные с параметрами, характеризующими  потенциальную опасность выявленного  дефекта;

- определение  технического состояния с учетом  потенциальной опасности выявленных  дефектов.

 В настоящее  время в практике неразрушающего  контроля для выявления дефектов  нашли применение практически  все методы и способы, традиционно  применяемые в условиях производства, испытаний и эксплуатации деталей  и агрегатов. Это оптические, электрические, акустические, радиационные, магнитные, тепловые, голографические, микрорадиоволновые и другие методы контроля. Оптические методы (инфракрасная и ультрафиолетовая спектрометрия) широко используются в лабораторной практике полимеров, применению их в неразрушающем контроле уделяется мало внимания. Это объясняется в первую очередь сложностью физической картины взаимодействия света с такой неоднородной средой, как современные пластмассы. Тепловые методы основаны на взаимосвязи между составом и теплофизическими характеристиками полимеров, преимущественно теплопроводностью, благодаря наличию большого количества аналитических формул, связывающих теплопроводность композитов с их структурой.

В основе радиационных методов контроля полимерных материалов лежат процессы взаимодействия проникающего низкоэнергетического излучения (как правило, рентгеновского) с веществом. Наиболее широкое распространение получил ультразвуковой и радиационный методы контроля.  Эффективность применения той или иной системы неразрушающего контроля определяется рядом факторов, из которых основными являются факторы, определяющие достоверность результатов оценки качества (технического состояния) контролируемого объекта и производительность контроля.

Анализ вышеуказанных факторов показывает, что наиболее перспективными, применительно к системам неразрушающего контроля полимерных материалов являются системы, базирующиеся на использовании ультразвукового метода контроля, как метода обладающего наибольшей чувствительностью и информативностью по отношению к характерным технологическим и эксплуатационным дефектам в пластмассах. Несомненным преимуществом применения систем ультразвукового метода неразрушающего контроля является возможность автоматизации процесса контроля, используя при этом достаточно известные на практике решения в построении соответствующих систем.

3. Нормативные документы.

  ТР ТС 012/2011 - О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах

ТР ТС 004/2011 -  О безопасности низковольтного оборудования

ТР ТС 010/2011 -  О безопасности машин и оборудования

ОКП 220000 - Полимеры, пластические массы, химические волокна и каучуки

ОКП 42 7156 - Машины для испытания полимерных материалов

ГОСТ 18197-2014 - Пластмассы. Метод определения ползучести при растяжении

ГОСТ 28845-90 - Машины для испытания материалов на ползучесть, длительную прочность и релаксацию. Общие технические требования

ГОСТ Р 56787-2015 - Композиты полимерные. Неразрушающий контроль

ГОСТ 24521-80 Контроль неразрушающий оптический. Термины и определения

ГОСТ Р 55809-2013 Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерений основных параметров

ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов

ГОСТ 11262-80 Пластмассы. Метод испытания на растяжение

ТУ4271-006-99369822-09 "Машины «УТС 1200» для испытания конструкционных материалов на длительную прочность и ползучесть. Технические условия".

4. Методы испытаний.

4.1 Метод определения ползучести при растяжении.

При испытании образцов на ползучесть в условиях растяжения особое значение приобретает соблюдение условий, при которых напряжение в образце, рассчитанное на истинное сечение, остается постоянным. Если к образцу приложить постоянную силу Р, это условие не будет соблюдено, так как вследствие ползучести сечение s образца уменьшается во времени и действующее напряжение возрастает. Чтобы исключить это нежелательное изменение напряжения, следует уменьшать силу Р в соответствии с изменением s. Этого можно достигнуть, применяя рычаг с переменным плечом, которое автоматически уменьшается по мере роста деформации образца.