ГОСТ Р 56785. Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение плоских образцов

Стандарт регулирует методику проведения испытаний при растягивающих нагрузках полимерных композитных материалов (ПКМ), усиленных каркасом из волокон высокой прочности (углеродных, борных, органических и др.), а также вводит термины «схема армирования», «скорость испытания», «деформация перехода» и др.

Композиционные конструкционные материалы сегодня находят применение в самых разных отраслях производства, причем их разнообразие поражает воображение. Наиболее востребованными наряду с гибридами, стали углепласты и стеклопласты; боропласты и органопласты.

Применение композитов в конструкциях летательных аппаратов приблизительно следующее: из полимерных композитов на стеклопластик приходится ≈ 42%, на углепласт ≈30%, на органопласт ≈27%, на боропласт ≤1%; из металлических композитов ≥90% приходится на бороалюминий.

В качестве связующего чаще всего применяют смеси на базе смол (полиэфирных, эпоксидных, фенолформальдегидных).

Каркасом стеклопластов чаще всего становятся ткани (толщиной 0,1 ÷ 0,3 мм) из стеклянных нитей (лент, жгутов) полотняного или саржевого плетения, а также плетеные сети с разным размером ячеек (стекломаты). Ткани грубого плетения (рогожа) могут быть толщиной ≤0,5 мм. Плотность стеклянного каркаса – 2,1÷2,6 г/см3. Стеклопласты дешевы, стабильны под воздействием тепла, биологических и химических факторов, а также характеризуются высокой механической прочностью, они высокотехнологичны при армировании (легко и без дефектов формируют сложные поверхности малого радиуса). Прочностные свойства стеклопластов:

Прочностные свойства стеклопластов

Недостатком стеклопластов (в особенности полых) является их высокая плотность и гигроскопичность.

Углепласты формируют из волокон углерода, при этом для армирования применяют однонаправленные нити/ ленты ровинга толщиной 0,005 - 0,01 мм, прошитые поперечной нитью с шагом 5 - 10 мм. Ширина ленты может быть от 5 до 400 мм. Применяется грубая ткань (рогожа) саржевого плетения шириной ≤1 м, толщиной 0,2 ÷ 0,35 мм.

Углеродные нити по прочности почти аналогичны стеклянным, но имеют меньшую плотность (1,7 ÷ 2,0 г/см3), повышая тем самым удельную прочность. Удельная жесткость углепластов выше стеклопластов.

Показатели прочности угольных волокон:

Показатели прочности угольных волокон

Современные углепласты электропроводны, коррозионностойки, устойчивы к циклическим нагрузкам, характеризуются низким коэффициентом теплового расширения. Армирующие углеродные волокна устойчивы к воздействию высоких температур, и стабильность углепласта ограничивается термостабильностью матрицы. Большая перспектива для углеродной арматуры открывается в би сталеамидных и полиамидных матрицах. Углепласты на базе полиамидной матрицы устойчивы кратковременно при 530°С, и ≈70000 часов – при ≤230°С. Недостатком углепластов является их слабая технологичность, и, соответственно узкий ассортимент, хрупкость и высокая стоимость.

Органопласты – композиты на основе полимеров с каркасом из высокопрочных волокон арамидов (в виде жгутов и узких лент) в виде тканей полотняного/ саржевого плетения, толщиной 0,1 ÷ 0,25 мм, которые характеризуются отличными показателями термостабильности, прочности при растягивающей нагрузке, устойчивостью при циклических нагрузках, устойчивостью к сдвигу, высоким значением модуля упругости. Низкая плотность (1,43÷1,45 к кг/см3) Арамидные волокна, уступая по удельному модулю упругости лишь борным и углеродным волокнам, характеризуются самой высокой удельной прочностью:

Прочность арамидных волокон

Недостатком армирующих органопластов является небольшой ассортимент каркасов на их основе и высокая стоимость.

Боропластами называют композиты с борными волокнами или нитями в качестве каркаса с плотностью 2,5 кг/см3, параллельно направленные толстые (90 ÷ 110 мкм) волокна которых сплетают в ткань, при этом содержание волокон бора на единицу объема композита невысоко, что усиливает роль каждого волокна, участвующего в распределении нагрузки. Ущерб, наносимый боропласту разрушением одного армирующего волокна, сравним с разрушением в плоскости сечения ≈180 стеклянных или органических нитей.

Боропласты термостабильны вплоть до 400°С, характеризуются высокими показателями жесткости, устойчивостью к циклическим нагрузкам и высокой механической прочностью.

К недостатками боропластов можно отнести разброс прочностных параметров (≤30%), хрупкость, шероховатость, жесткость и невысокую технологичность (радиус изгиба ≤100 – 150 мм).

Полимерные композитные материалы могут представлять собой гибриды, которые для придания конкретных качеств материалу составляются из сочетания различных материалов: для создания жесткого и вязкого материала углеродный каркас сочетают с органическим или стеклянным армированием.

Физико-механические свойства термопластичных матриц

Физико-механические свойства термопластичных матриц

Для стандартных образцов композитов, в соответствии с требованиями данного нормативного документа – при трех значениях температуры (нормальной, пониженной; повышенной), при неизменной скорости нагружения (или деформирования до момента разрыва) определяют следующие механические характеристики:

  • коэффициент Пуассона;
  • модуль упругости;
  • прочность (при растяжении);
  • приращение длины в момент разрушения;
  • деформацию перехода (на би линейной диаграмме).

Образцы композитов на тканевой основе для производства авиационных деталей при их испытании на растяжение должны иметь следующую форму:

Образцы композитов на тканевой основе

Рекомендуемые размеры образцов (размеры в миллиметрах).

Размеры образцов

Технология изготовления, способы обработки, топография их выемки нормируются технической документации на материал, и изготавливаются по единому методу формования. Они должны быть гладкими, без видимых внешних дефектов. После окончания подготовительных мероприятий (выравнивания поверхности и кондиционирования) до начала испытаний в трех рабочих точках определяют площадь образцов (А = w × h, мм2) внося в протокол усредненное значение трех измерений. Образцы крепят в захватах накладками из других композитов, упругость которых не превышает таковой у испытуемого образца. Накладки изготавливают со скосами 5 ÷ 90°, но применять лучше с углом скоса 30° ÷ 35 ± 0, 5%. Накладки приклеиваются к образцу, сопротивление сдвигу клея ≤30 МПа. Минимальная длина накладок lн мм, вычисляют по формуле:

Минимальная длина накладок

где h – толщина образца, мм;
σB – прочность материала при растяжении, Мпа;
σSU – прочность при сдвиге соединения «материал образца – материал накладки», Мпа.

Маркировка готовых образцов (не менее 5 для каждого режима) каждой партии должна обеспечить возможность легкой идентификации материала, условий эксперимента и номер партии, но не влиять на результаты испытаний. Любые изменения условий проведения испытаний должны фиксироваться в протоколе.

Перед началом испытаний по требованию заказчика производят стандартное кондиционирование образцов, измерение толщины и ширины (в центре и по краям). При расчетах учитывают минимальное значение площади трансверсального сечения. Перед запуском испытательной машины по контрольному образцу тремя экстензометрами центрируют ее силовую цепочку, нормируя величину деформаций изгиба.

Величины деформации изгиба (%) вычисляют:

Минимальная длина накладок

Расположение экстензометров на контрольном образце

Расположение экстензометров на контрольном образце

Для калибровки нагрузку повышают (со скоростью εave ≥0, 001 мм/мм) до величины на всех экстензометрах 0,0005 мм/мм. Деформация изгиба допускается ≤5%. При необходимости калибровку совершают повторно, изменяя условия. Образец продольной осью плотно закрепляют захватами соосно нагрузке, не разрушая их. Масштаб нагрузки настраивают в диапазоне 20 ÷ 80% от max значения шкалы. Датчики измерения деформации крепят вдоль и поперек средней части образца. Управляемую деформацию рекомендуется осуществлять со скоростью 0,01 мин-1 (длительность единичного измерения – 1,0 ± 0, 5 мин). Время термостатирования образцов – ≥20 мин на 1 мм толщины.

Модуль упругости образца зависит от величины относительного изгиба (By мм/мм):

Формула модуля упругости

где εf – значение деформации, фиксируемое на фронтальном датчике деформации, мм;
εb – значение деформации, фиксируемое на тыльном датчике деформации, мм.

При растягивающей нагрузке определяют как продольную, так и поперечную деформацию; для установления прочностных параметров (временное сопротивление и предел прочности) образцы равномерно растягивают вплоть до разрушения, фиксируя нагрузки 3 раз в секунду (совокупно ≥100 для образца) и величину нагрузки разрыва Pmax.

Временное сопротивление

Прочность монослоя

Модуль упругости

Коэффициент Пуассона

Деформацию перехода εпер, %, определяют графически на графике пересечения условно линейных участков:

Деформацию перехода

Для каждой серии испытаний рассчитывают среднеарифметическое значение x̅, среднеквадратическое отклонение Sn-1 и коэффициент вариации CV, %, по формулам

среднеарифметическое значение

где xi – величина по испытанию; n – количество образцов.

Результаты исследований анализируют в соответствии с шаблонами (тип, зона, место), формируя протокол испытаний:

ОбразцыТипы, зоны и места разрушений

Протокол испытаний

Результаты испытаний заносят в протокол испытаний, который должен содержать:

  • наименование материала, схему укладки;
  • наименование предприятия-изготовителя, метод изготовления, номер партии;
  • количество и тип образцов, маркировку и геометрические размеры;
  • способ кондиционирования, температуру и влажность испытательной среды;
  • тип средств измерений и испытаний, заводской номер, класс точности датчика силы;
  • способ измерений деформации и нагрузки (класс точности экстензометра, датчика силы);
  • режим испытания;
  • значения характеристик, определяемых по настоящему стандарту, для каждого образца;
  • тип, зону и местоположение разрушения каждого образца;
  • любые отклонения от условий, описанных в настоящем стандарте;
  • дату проведения испытаний;
  • Ф.И.О. и должность оператора;
  • Ссылку на настоящий стандарт.

Рекомендуется заносить в протокол диаграммы деформирования, фотографии разрушенных образцов, информацию о пористости образцов и др.

На базе полученных результатов подготавливаются ТУ (технические условия) на материалы. На результаты исследований, кроме вышеописанных, влияют материал, места вырубки образцов и методика их подготовки; слои материала и технология их укладки, пористость и объемный % армирования.

При проведении испытаний композитных материалов при растягивающей нагрузке получают следующие физико-механические данные:

  • предел прочности при растяжении;
  • максимальная деформация при растяжении;
  • модуль упругости при растяжении;
  • коэффициент Пуассона (далее – коэффициент поперечной деформации);
  • деформация перехода.

По результатам межлабораторных испытаний 9-и независимых лабораторий при изучении шести видов композитов (≤5 образцов каждого) с различной конфигурацией слоев, была установлена статистическая точность определения модуля упругости, предела прочности (при разрыве) и деформации разрушения. Средние значения вариативных коэффициентов SrlX SRIX соответственно, характеризуют повторяемость и воспроизводимость.

Статические данные

Образцы

Типы, зоны и места разрушений

Приведенные данные позволяют сравнить повторяемость полученных параметров физико-механических свойств композитов при растягивающей нагрузке (в пределах 1 лаборатории) и воспроизводимость (нескольких лабораторий). В наименьшей степени повторяются и воспроизводятся значения деформации при разрушении, в отличие от значения модуля упругости, который характеризуется максимальными воспроизводимостью и повторяемостью.

На воспроизводимость и повторяемость в большой степени влияют конфигурация укладки слоев композита, способы подготовки (материала и образца), условия проведения испытаний, фиксация параметров испытаний.

Для проведения испытаний на прочность при растягивающей нагрузке композитных материалов, которые применяются в авиационном строительстве требуется набор сертифицированного оборудования, соответствующего требованиям государственного стандарта. Прежде всего это универсальные испытательные машины, экстензометры, муфельные печи, термопары, толщинометры. Для этих целей предлагаем наше сертифицированное оборудование.

Каталог товаров
Навигатор
Мы перезвоним вам в ближайшее время

Режим работы с понедельника по пятницу, с 10:00 до 20:00