Ужесточение требований к прочностным характеристикам композиционных материалов обусловлено ростом их применения в производстве ответственных элементов и узлов машин, механизмов, оборудования. Эксплуатация в специфических средах и нестандартных условиях требует тщательного контроля механических свойств, от которых зависят прочность и долговечность изделий. Сведения о параметрах получают при проведении механических испытаний, моделирующих наиболее опасные виды нагружения.
Один из ключевых показателей для расчетов конструкций, сооружений, изделий из композитов – прочность межслойных соединений, поскольку разрушение часто начинается именно на границе раздела между армирующим элементом и матрицей.
Виды исследований прочности межслойных связей композитов
Специфическая структура композитов предопределяет использование в сплошных материалах двух или более составляющих с различающимися физическими и химическими свойствами. Объединение полимерной, металлической, керамической матрицы с армирующими элементами и наполнителями позволило значительно повысить устойчивость к механическим воздействиям без заметного увеличения удельного веса. Но предельные деформации основного связующего и армирующих компонентов зачастую отличаются в несколько раз.
Эти отличия нередко становятся причиной нарушения адгезионных соединений в пограничной зоне, разделяющей матрицу и армирующие слои. Ввиду чего к испытаниям на определение прочности межслойных связей подходят с предельно высокой ответственностью. Результаты исследований позволяют рассчитывать максимально возможные нагрузки и выбирать оптимальный эксплуатационный режим.
Большинство изделий из многослойных композитов работают в условиях комплексной нагрузки. На детали и конструкции одновременно могут воздействовать изгибающие и крутящие усилия, а также силы, сжимающие и растягивающие в двух и более направлениях. Каждый из факторов воздействия приводит к своему специфическому виду разрушения, требующему практического изучения.
Примеры нормативных документов, устанавливающих методики определения прочности межслойных соединений композитов:
- ГОСТ 32659-2014. В стандарте изложена технология определения предельной прочности образцов из термопластов и реактопластов под воздействием усилий, вызывающих межслойный сдвиг. Нагрузка прикладывается по всей ширине проб, передается равномерно.
- ГОСТ Р 56808-2015. Документ регламентирует правила тестирования сопротивляемости слоистых композитов с однонаправленным непрерывным армированием на расслоение. Испытания проводят на образцах, выполненных в виде двухконсольных балок. Определяют характер вязкости разрушения по смешанной моде I + II, согласно чему испытательные усилия передаются в комплексе: со сдвигом и отрывом.
- ГОСТ Р 57206-2016. Регламент охватывает все разновидности композитов с полимерной матрицей и волокнистым армированием по моде II. В стандарте приведена методика испытаний на устойчивость к торцевому расслоению посредством приложения сдвигающей нагрузки. Образцы для испытаний изготавливают в виде балки, в которой преднамеренно сделана трещина для концентрации нагрузки.
- ГОСТ Р 56799-2015. Стандарт устанавливает правила испытаний слоистых композитов с полимерной матрицей, в армировании которых использованы непрерывные и рубленые волокна, с хаотичным и упорядоченным направлением армирующих компонентов. Испытания заключаются в определении упруго-прочностных параметров образцов, в которых для концентрации напряжений сформирован V-образный надрез.
- ГОСТ Р 57744-2017. В нормативном документе изложены 2 методики испытаний керамических композитов с направленным волокнистым армированием. Для концентрации напряжений в образцах делают двойной надрез на лицевой и тыльной поверхности образца с заглублением наполовину. Второй вариант выполняют согласно методике Йосипеску, при котором на противоположных сторонах образца выполняют два V-образных надреза. В результате определяют прочность при межслойном сдвиге и модуль сдвига.
По результатам испытаний оценивают надежность и эксплуатационную долговечность изделий и конструкций из композитов. Во время передачи нагрузок в материалах возникают напряжения в зоне раздела составляющих, которые могут расслоиться при приложении типичных для использования продукции усилий. К участкам повышенного риска относятся торцевые области и точки механических соединений.
Технические средства для определения межслоевой прочности композитов
Для исследований прочности композитов в области межслоевых соединений понадобятся:
Экспертные рекомендации и практические советы менеджеров-консультантов из компании «ГОСТ» помогут выбрать основные машины и вспомогательные атрибуты для испытаний композиционных материалов.