4.4.3.1. Dự đoán độ bền liên kết dán
Các phương pháp dự đoán chủ yếu có thể chia làm hai nhóm chính: phương pháp dự đoán không tính đến tác dụng của ngoại lực và phương pháp dự đoán độ bền dưới tác dụng của tải trọng lâu dài. Các phương pháp thuộc nhóm thứ nhất được sử dụng rộng rãi hơn mặc dù chúng có một số hạn chế vì các liên kết dán chủ yếu làm việc dưới một tải trọng nào đó. Ngoài ra, các phương pháp này chỉ cho phép đánh giá một cách gián tiếp về một trường hợp biên (độ bền mối dán) mà không đánh giá được trường hợp thứ hai (độ biến dạng) mặc dù độ biến dạng cũng là một yếu tố thường phải tính đến bên cạnh yếu tố độ bền.
a) Các phương pháp dự đoán không có tải trọng lâu dài
Trong đại đa số trường hợp, có ba yếu tố chủ yếu tác động lên kết cấu keo dán: tải trọng ngoài, nhiệt độ và độ ẩm (hoặc môi trường hóa chất khác). Tác động theo chu kỳ của nhiệt độ và độ ẩm sẽ dẫn đến sự xuất hiện các ứng suất dư tuần hoàn trong liên kết và sự phát triển các quá trình mỏi nhanh hơn so với tác động của các lực tĩnh. Như vậy phương pháp dự đoán độ bền mà không tính đến tác động của tải trọng ngoài chủ yếu dựa trên các thử nghiệm trong đó phát triển độ mỏi. Trong những thử nghiệm này, để nhanh chóng giảm độ bền và (hoặc) các chỉ tiêu khác, người ta tác động nhiệt độ và độ ẩm lên liên kết dán với biên độ dao động hoặc tốc độ lớn hơn nhiều so với thực tế. Dĩ nhiên không thể trực tiếp áp dụng các kết quả thử nghiệm này vào điều kiện sử dụng nếu không có sự so sánh với các thử nghiệm trong điều kiện sử dụng thực tế.
* Các phương pháp thử nghiệm theo chu kỳ
Sự phụ thuộc của một chỉ tiêu nào đó vào số chu kỳ tác động thường được biểu diễn dưới dạng hàm số mũ (với mức độ phức tạp khác nhau). Ví dụ :
S = a.e-bx (3.1)
Trong đó : S – Chỉ số được xét, tính bằng tỷ lệ so với giá trị ban đầu
x – Số chu kỳ tác động
a, b – Hằng số thực nghiệm
Điều kiện cần để chuyển từ số chu kỳ tác động sang thời gian sử dụng trong điều kiện thực tế là các đường cong thay đổi của chỉ số được xét trong điều kiện thực tế và trong thử nhanh phải đồng nhất.
Một ví dụ về sự so sánh kết quả thử nghiệm chu kỳ và thử nghiệm thực tế là các liên kết keo dán gỗ. Chẳng hạn đối với gỗ dán nếu chịu được hai hoặc ba chu kỳ đun sôi – đóng băng thì có thể sử dụng tốt 2,5 – 3 năm ngoài trời. Trong một số trường hợp có thể áp dụng hàm số dạng : x b a S = + (3.2)
Nếu một liên kết đã thử nghiệm với hai loại keo tuân theo định luật (3.2) và độ bền khí quyển của chúng đã được xác định thì khi dùng loại keo thứ ba chỉ cần thử nghiệm theo chu kỳ và sau đó dùng đồ thị là có thể xác định độ bền khí quyển của liên kết đó.
* Các phương pháp ngoại suy
Các phương pháp này dựa trên ngoại suy các số liệu thu được trong khoảng thời gian ngắn sang khoảng thời gian dài. Khi sử dụng các phương pháp này cần phải chắc chắn rằng các quy luật xác định được trong khoảng thời gian ngắn cũng sẽ không thay đổi trong khoảng thời gian dài.
Chẳng hạn để đánh giá sự lão hóa của gỗ dán có thể dùng phương trình : , 0 kt e− =τ τ (3.3)
Trong đó : τ0 - Độ bền ban đầu
τ - Độ bền tại thời điểm t
k - Hệ số phản ánh tốc độ thay đổi độ bền
Có thể thấy sự giống nhau của biểu thức (3.1) – kết quả thử nghiệm chu kỳ và biểu thức (3.3) – kết quả thử nghiệm thực tế.
Trong nhóm này cần phải kể đến phương pháp ngoại suy trong điều kiện thử nghiệm thay đổi. Ví dụ, cần phải chuyển từ tác động của nhiệt độ cao sang tác động của nhiệt độ thường. Người ta xác định thời gian cần thiết để độ bền (hoặc một chỉ tiêu nào đó khác) giảm tới một giá trị nhất định trong khi thay đổi một yếu tố khác, ví dụ nhiệt độ. Sau đó trên đồ thị vẽ đường cắt các đường giảm độ bền tại cùng một giá trị, ta được các điểm 1,2,3.
Cuối cùng ta vẽ đồ thị
T t 1
lg − , trong đó t – thời gian mà độ bền giảm tới một giá trị xác định (các điểm 1, 2, 3), T – nhiệt độ thử nghiệm. (Hình 3.4,b). Vì sự lão hóa của polyme, nhất là ở nhiệt độ cao, xảy ra theo quy luật hàm số mũ nên sự phụ thuộc
T t 1
lg − sẽ có dạng đường thẳng, từ đó có thể ngoại suy đến nhiệt độ sử dụng (nhiệt độ thường). Độ nghiêng của đường thẳng thể hiện cường độ của quá trình lão hóa, còn tang góc nghiêng là hệ số phụ thuộc nhiệt độ (không có thứ nguyên) đặc trưng cho tốc độ của quá trình lão hóa này.
Cần lưu ý rằng tang góc nghiêng không có ý nghĩa vật lý như là năng lượng hoạt hóa của quá trình, mặc dù đồ thị phụ thuộc của sự lão hóa liên kết dán vào nhiệt độ có dạng tương tự sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học trong pha khí vào nhiệt độ (Phương trình Arenius).
b) Các phương pháp dự đoán có tải trọng lâu dài
Trong nhóm các phương pháp này có thể kể đến phương pháp tính toán, phương pháp vật lý và phương pháp tương tự.
kT U
e
γστ
τ =
0 0−Cho tới nay vẫn chưa có phương pháp tính trực tiếp độ bền lâu của các liên kết dán. Tuy nhiên, bằng con
đường tính toán có thể đánh giá ứng suất tối đa trong lớp keo có hoặc không tính đến thời gian hồi phục. Sau
đó so sánh giá trị này với độ bền xác định được bằng các phương pháp thử tiêu chuẩn trong chế độ tải trọng
tương tự.
Khi tải trọng tác động lâu dài, nên sử dụng các phương pháp có tính đến trạng thái không đàn hồi của keo vì ở đây các quá trình hồi phục có vai trò lớn. Cần phải biết sự tập trung ứng suất ở trạng thái hồi phục gần như hoàn toàn (gần cân bằng), nghĩa là cần tính đến thời gian tác động của tải trọng khá dài.
* Phương pháp vật lý
Các phương pháp này dựa trên những quan niệm về độ bền và bền lâu của vật thể rắn có tính đến cấu trúc phân tử của vật thể được xét. Trong số các phương pháp này, sự phụ thuộc của độ bền vào thời gian (dựa trên lý thuyết động học về độ bền) là dễ tiếp cận nhất cho các khảo sát vĩ mô và dự đoán độ bền. Để sử dụng sự phụ thuộc này trong việc dự đoán, người ta ngoại suy các kết quả thu được trong thời gian thử nghiệm ngắn sang khoảng thời gian dài.
Ta biết rằng phương trình độ bền lâu có dạng :
Trong đó : τ - Độ bền lâu
τ0 - Hằng số bằng chu kỳ dao động nhiệt của nguyên tử (≈10-13s) U0 - Năng lượng hoạt hóa phá hủy
T - Nhiệt độ
σ - Ứng suất
k - Hằng số Bolzmann
Trong hệ tọa độ σ - lgτ phương trình này có dạng đường thẳng. Để dự đoán độ bền, thời gian ngoại suy phải cao hơn thời gian thử nghiệm khoảng 1- 1,5 bậc. Ví dụ, trong chế tạo máy khi cho tuổi thọ của liên kết dán là 10 năm (3.108s) thì thời gian thử nghiệm phải là (2 – 5).107s. Khi đó có thể dùng đường thẳng của phương trình trên trong hệ tọa độ σ - lgτ để dự đoán độ bền.
Nếu liên kết dán làm việc trong điều kiện tải trọng động thì việc dự đoán sẽ đơn giản hơn. Đó là vì trong hệ tọa độ σ - lgN (N – số chu kỳ tác động của tải trọng trước khi mẫu bị phá hủy), trong đa số trường hợp σ sẽ không còn phụ thuộc lgN nữa khi mẫu đạt đến một độ mỏi nào đó. Như vậy, cần thử nghiệm cho đến khi trên đường cong biểu diễn độ bền mỏi của mẫu xuất hiện điểm uốn. Nhánh đường cong sau điểm uốn sẽ được ngoại suy đến thời gian sử dụng dự kiến của mẫu. Thông thường để có thể ngoại suy cần thử nghiệm đến 106 – 107 chu kỳ tải trọng.
)(
(
)
(
lg
s s TT
T
B
T
T
A
a
−
+
−
=
Phương pháp tương tự thường được sử dụng để dự đoán các tính chất nhớt – đàn hồi của polyme. Về lý thuyết, phương pháp này được xây dựng cho các vật liệu ở trạng thái mềm cao, nhưng sau đó đã chứng minh được rằng nó có thể áp dụng cho nhiều trường hợp polyme ở trạng thái thủy tinh.
Bản chất phương pháp như sau. Các số liệu thực nghiệm về sự phụ thuộc của các tính chất biến dạng (hoặc tính chất bền) vào nhiệt độ, độ ẩm hoặc các thông số khác được sử dụng để xây dựng một đường cong tổng quát. Đường cong tổng quát sẽ được dùng để dự đoán tính cách của vật liệu trong một khoảng cách thời gian dài. Ví dụ, để xây dựng đường cong tổng quát đối với nhiệt độ (phương pháp chồng nhiệt độ - thời gian), các số liệu thu được ở các nhiệt độ khác nhau sẽ được đưa về cùng một nhiệt độ chuẩn T, nhờ hệ số dẫn suất aT. Hệ
số này thường được xác định bởi phương trình William – Landen – Ferry (phương trình WLF).
Trong đó : A, B – Các hằng số thực nghiệm.
Trong phương trình trên, nhiệt độ có thể được thay thế bằng giá trị ứng suất, độ ẩm, v.v … để có hệ số dẫn suất tương ứng. Đường cong tổng quát được xây dựng bằng cách dịch chuyển các đường cong thu được ở từng giá trị nhiệt độ (hoặc thông số khác) tương ứng với hệ số dẫn suất.
Đối với các liên kết keo dán, cho tới nay phương pháp tương tự được áp dụng chủ yếu để đánh giá các tính chất biến dạng. Phương pháp này được xây dựng rất chi tiết cho các loại vật liệu không phải là vật liệu kết cấu, ví dụ da, PVC dẻo hóa v.v… với các loại keo cao su. Nó cũng hiệu quả trong việc đánh giá sự bóc tách cao su khỏi nền cứng. Đối với các loại keo kết cấu cứng, phương pháp này ít hiệu quả hơn.
