Анизотропия срезающего усилия
На рисунке приведены результаты измерений величины срезающий усилий для разных кристаллографических направлений. За нулевое принято направление плоскости симметрии кристалла или направление длинного луча фигуры удара, совпадающего с осью nm оптической индикатрисы(плоскость 010 элементарной ячейки). Зазор между пуансоном и матрицей при срезе составлял 10% толщины кристалла. Видно, что максимальная величина срезающего усилия наблюдается под углами 30 и 90° по отношению к оси nm, а минимальные при углах 0 и 60°. Изменения величины срезающего усилия при этом достигают 15%.
На рисунке представлен график изменения с направлением в плоскости спайности величины модуля упругости (модуль Юнга), являющегося мерой прочности кристалла на разрыв.
Полярные диаграммы прочности на срез и модуля упругости являются зеркально-симметричными. В нулевом направлении и под углом в 60° к нему модуль упругости имеет наибольшую величину. Самые низкие значения модуля упругости соответствуют направлениям, идущим под углами 90 и 30° к нулевому, т.е. в тех направлениях, в которых срезающее усилие максимально.
Такой характер полярных диаграмм срезающего усилия и модуля упругости свидетельствует о том, что при срезе происходит разрыв связей по направлению, перпендикулярному линии среза. Например, срезая кристалл по направлению оси nm, мы разрушаем связи, определяющие прочность кристалла при растяжении в направлении оси ng, которая перпендикулярна к nm; а по направлению оси ng, как видно из графика 3 рис.52, модуль растяжения минимален, что и приводит к уменьшению силы среза в этом направлении.
Таким образом, усилие среза определяется в конечном итоге величиной модуля упругости при растяжении в перпендикулярном к срезу направлении. Это позволяет сделать важный вывод о том, что при срезе и штамповке, когда величина зазора между ножами достаточно велика (относительный зазор больше 5%), основную роль играют деформации растяжения в направлении, нормальном к линии среза, а не деформации сдвига, как можно было ожидать.
Это объясняется тем, что при срезе практически невозможно осуществить условия, необходимые для чистого сдвига, вследствие неизбежного зазора между матрицей и пуансоном.
Одна из основных причин появления зазора – существование закруглений малого радиуса у режущих кромок инструмента, а также ограниченность технических возможностей при изготовлении вырубного инструмента.
Изучение изменения величины срезающего усилия с кристаллографическим направлением при небольших зазорах между пуансоном и матрицей (меньше 5% от толщины), а следовательно, при тщательно отполированных острых режущих ножах показало, что основную роль в срезе начинают играть деформации сдвига и силы, действующие в кристалле по плоскости сдвига. В этом случае срезающее усилие оказывается пропорциональным модулю сдвига.
Эксперимент обнаружил также другое важное свойство кристаллов слюды – сильную зависимость эффекта анизотропии и величины срезающего усилия от состояния поверхности кристалла.
Влияние обработки кристаллов на величину срезающего усилия
/по данным лаборатории ИГУ/
|
Способ обработки образцов перед штамповкой |
Число испытаний |
Величина срезающего усилия, кг/мм2 |
Разность срезающего усилия, кг/мм2 |
|
|
параллельно оси nm |
перпендикулярно оси nm |
|||
|
Свежерасщепленные |
30/30 |
28,9 |
34,3 |
5,3 |
|
Пребывание в дистиллированной воде в течение 24 часов |
30/35 |
12,4 |
13,1 |
0,7 |
|
После расщепления прогрев 3 часа при 150-200°С |
48/51 |
13,6 |
14,2 |
0,6 |
|
После расщепления нагревание в течение часа до 100°С |
20/20 |
19,1 |
18,8 |
0,3 |
|
Сушка 3 часа при 150-200°С, затем пребывание во влажном воздухе 36 часов |
45/45 |
16,7 |
17,4 |
0,7 |
|
Выдержка во влажном воздухе 72 часа после 3-часовой сушки при 150-200°С |
45/45 |
18,1 |
19,9 |
1,7 |
|
Расщепление с бензольным клином |
55/55 |
15,0 |
16,3 |
1,3 |
|
Пребывание в эксикаторе с хлористым кальцием 10 суток |
50/50 |
16,2 |
17,6 |
1,4 |
|
Купание в воде, сушка и последующее пребывание на воздухе 10 суток |
30/30 |
16,4 |
17,8 |
1,4 |
|
Протирка бензолом после 10-дневного пребывания на воздухе |
50/50 |
17,7 |
18,3 |
0,6 |
|
Протирка трансформаторным маслом после 10-дневного пребывания на воздухе и обработки бензолом |
30/30 |
16,5 |
18,6 |
2,1 |
|
Смазка трансформаторным маслом сразу после расщепления |
30/30 |
17,1 |
18,3 |
1,2 |
|
Свежерасщепленные контрольные /в конце опытов/ |
50/50 |
28,1 |
34,1 |
6,0 |
В таблице представлены результаты испытаний на срез кристаллов мусковита с различным состоянием поверхности. Видно, что сушка кристаллов при сравнительно низких температурах, способная удалить с поверхности лишь адсорбированную воду, приводит к резкому уменьшению величины срезающего усилия (с 34 до 18 кг/мм2). Этот эффект связан с существенной ролью в механических свойствах полимолекулярной водной пленки на свежей поверхности кристалла.
Эта пленка проникает во се поверхностные трещины, залечивая их до сплошности и превращая кристалл в монолит. Специальная оценка сил связи через такие полимолекулярные слои воды показывает их значительную величину, сравнимую с величиной сил межпакетных связей.
Кристалл с залеченными микротрещинами оказывается менее дефектным и приближается по своим свойствам к идеальному. Его механические характеристики становятся наиболее высокими, легче выявляется соответствие между измеренной анизотропией и кристаллической структурой слюд.
Сушка кристалла ослабляет его поверхностную активность, удаляет значительную часть адсорбционной пленки. Микротрещины на поверхности кристалла обнажаются, и проявляется их отрицательное влияние на свойства кристалла.
Величина срезающего усилия при этом сильно уменьшается и практически слабо зависит от кристаллографического направления.
Подобное же действие производит бензол, который нейтрализует поверхностную активность кристалла и не позволяет образоваться адсорбционной водной пленке.
Понижение прочности на срез после купания образцов в воде можно объяснить расклинивающим действием воды в достаточно толстых слоях (эффект Дерягина). Этот эффект приводит к углублению и расширению микротрещин в первый момент обработки, а затем в нейтрализации активности поверхностей трещин, что исключает дальнейшее их залечивание за счет водной адсорбции.
Величина срезающего усилия изменяется с толщиной кристалла при постоянном относительном зазоре между пуансоном и матрицей. С ростом толщины от 100 до 300 мк наблюдается уменьшение срезающего усилия, которое может достигать 30%.
Рост силы среза с утоньшением кристаллов объясняется повышенной прочностью тонких кристаллов вследствие их меньшей собственной дефектности и деформируемости.
С увеличением скорости среза от нескольких сантиметров в секунду до 15-20 см/сек и неизменном зазоре между пуансоном и матрицей сила среза возрастает примерно в 1,5 раза (см. табл.). Это, по-видимому, обусловлено ростом ударных потерь энергии в момент среза.
