Стандарт устанавливает методику изучения деформационного поведения и напряженных состояний композиционных материаловпри трехточечном изгибе . Под норматив подпадают бескаркасные и армированные бесстыковыми волокнами композиты (в т.ч. слоистые полимерные – ПКМ), которые путем трехточечной схемы нагружения, приложенной к свободно опертой балке, изучают на прямоугольных образцах (изъятых из фасонных профилей или листов) жестких и полужестких высокомодульных и электроизоляционных композитов (стратифицированных термопластичных – толстолистовых и листовых – применяемых для электроизоляции, с фиброй, слюдой со стеклянным, бумажным и тканевым наполнителем).
Классификация и технические характеристики композитных материалов
Испытывают лежащие на 2-х опорах плоские прямоугольные образцы, которые нагружаются в центральной части. Соотношение толщины детали к расстоянию между опорами – 1:16. Если испытанию подвергается композит, характеризующийся большим прогибом, это соотношение может быть изменено.
Вырубленные из листов/фасонных профилей/плит образцы могут быть отформованы или отшлифованы (в направлении длины) до заданных размеров: при толщине ≤3,2 мм ширина должна составлять ≤12,7 мм, причем за границы опор должно выступать ≥10 % от длины образца, его поверхность не должна изначально подвергаться обработке, но во избежание скольжения по опорам и для придания нужного размера одна или обе поверхности обрабатывают, обязательно внося эти данные в протокол испытаний: была ли обработана только одна поверхность (на стороне растяжения или на стороне сжатия), или обе. При испытании образца длиной 50,8 мм, толщиной ≥1,6 мм, шириной 12,7 мм, расстояние между опорами должно составлять 25,4 мм.
В особых случаях допускается испытать образцы других размеров, при условии соблюдения соотношения их толщины к расстоянию между опорами ≥ 1:14, что фиксируется в протоколе испытаний.
Соотношение расстояния между опорами к толщине подбирают (вместо 16:1 – 32:1 или 40:1) таким образом, чтобы разрушение внешних волокон происходило только под нагрузкой. Испытание слоистых материалов, характеризующихся при поперечном сжатии хрупкостью, применяют валики увеличенного радиуса (в 4 раза больше толщины образца). Рекомендуемый размер образцов из термопластичных и термореактивных полимеров – 127:12,7:3,2 мм при расстоянии между опорами, кратном 16 (±1) значения толщины. Большая толщина образцов нежелательна.
При изучении поведения нагруженных состояний и деформационного поведения (НДС) высокопрочных армированных композитов (в т.ч. орто тропных стратифицированных пластиков) расстояние между опорами к толщине образца подбирают таким образом, чтобы внешняя сторона образцов разрушалась только в результате изгиба. Для анизотропных композитов при определении модуля сдвига отношение расстояния между опорами к толщине образца рекомендуется увеличивать до 60:1 для нивелирования влияния напряжения сдвига на результаты испытания.
Значение соотношения 16:1 (расстояние между опорами к толщине образца) актуально для случаев, когда соотношение предела прочности разрыва к сдвигу ≤8:1, но увеличивается для стратифицированных композитов с малым пределом прочности сдвига и большим пределом прочности разрыва.
Испытание слоистых композитов на изгиб на трех опорах сопровождается построением графика зависимости деформации от приложенной нагрузки (диаграмма деформирования). Критическую нагрузку (Н) определяют по диаграмме в точке отклонения от линейной зависимости; в момент разрушения образца (визуально) и в точке пересечения прямой (из начала координат), значение тангенса угла которой на 5% меньше такового для линейного участка. Упругие свойства малых деформаций при поперечном изгибе отражает модуль упругости (МПа).
Методика испытаний
В процессе проведения испытаний применяются испытательные машины, которые способны обеспечить заданную точность измерений (±1%) и постоянную скорость движения траверсы при трехточечном нагружении, обеспечивая перемещение двух опор и пуансона из закаленной стали с заданной твердостью и фиксированным радиусом закругления краев опор (5,0±0,2 мм); микрометры с плоскими измерительными поверхностями, штангенциркули, металлические линейки. Стандарт регламентирует также шероховатость поверхности опор и пуансона (≤0,63 мкм). Радиусы закругления краев опор и пуансона:
Схема нагружения.
h-толщина образца; l-длина образца; L-пролет между опорами; R1-радиус закругления пуансона; R2-радиусы закругления краев опор; F-нагрузка
Опоры крепятся статично, с заданной точностью центрируя заготовку (долевая ось параллельна боковине траверсы, ось приложения нагрузки – в центре симметрии детали). Величину изгиба (деформации) определяют по датчикам перемещения или тензометрам с точностью ±1%.
На трехточечный изгиб испытывают не менее пяти прямоугольных фиксированного размера полос без дефектов:
Размеры образцов, мм
Соотношение пролета между опорами к толщине образца должно быть выбрано таким, чтобы разрушения происходили на внешней поверхности образца от напряжений растяжения.
При изучении анизотропных композитов испытывают по пять образцов каждого базового направления. Образцы маркируют и кондиционируют по стандартной методике, проводят измерение геометрических размеров с указанной точностью, определяют их среднеарифметические значения. Опоры и пуансон испытательной машины выравнивают, выставляя расстояние между опорами L в соответствии с табличными данными размеров образцов. Задают скорость перемещения траверсы (V мм/мин), выбирая ее по табличным данным или вычисляют:
где Z – скорость деформации, равная 0,01 мм/мин или значению, предусмотренному нормативными документами или технической документацией, мм/мин; L – пролет между опорами, мм; h – толщина образца, мм.
С помощью тензометров непрерывно фиксируют нагрузку (и соответствующую ей величину или деформацию изгиба на наружной поверхности образца) от напряжения изгиба; а также напряжение, при котором образец разрушается или при достижении максимальной деформации на поверхности образца значения 0,05 мм/мм, который вычисляют по формуле:
где εmax – максимальная деформация на внешней поверхности образца, равная, 0,05 мм/мм.
Прочность под действием изгибающего момента σВИ (МПа) вычисляют:
где Fmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца, H;
L – пролет между опорами, мм; b – ширина образца, мм; h – толщина образца, мм.
Прочность при изгибе σИВ, Мпа, при пролетах опор больше, чем 16h, вычисляют по формуле
Деформацию на внешней поверхности образца εmax вычисляют по формуле:
Модуль упругости при поперечном изгибе ЕИП, Мпа вычисляют по формуле:
где m – тангенс угла наклона касательной к первоначальному линейному участку диаграммы деформирования образца к оси деформации.
Модуль упругости может определяться по хорде и рассчитываться по двум дискретным значениям, выбранным на диаграмме деформирования, которые должны быть выбраны в зависимости от материала, все данные вносят в протокол испытаний. Модуль хорды Еj (МПа) вычисляется:
где σИ1В, σИ2В – значения напряжения изгиба в двух выбранных точках диаграммы деформирования;
εmax1, εmax2- значения деформации изгиба, соответствующие по диаграмме деформирования напряжения σИ1В, σИ2В.
Результаты вычислений и параметры, полученные в ходе испытаний, округляются:
Стандарт предусматривает несколько алгоритмов проведения испытаний для разных типов поведения композитов: процедура А – для хрупких материалов (скорость нагружения ≈0,01 мм/мм/мин); процедура Б – для композитов с высокими значениями деформативности без разрушения (скорость нагружения ≈0,10 мм/мм/мин). Первая актуальна для вычисления модуля изгиба. Вторая –при испытании прочности при изгибе. Алгоритм А характеризуется меньшим стандартным отклонением значений, чем алгоритм Б. Параметры прочности при изгибе востребованы в целях контроля качества и для их внесения в сертификат качества композита. Методика испытаний предписывает нагружать образец до достижения maх деформации (5,0 %) или до повреждения внешней поверхности образца.
Композиционные материалы, которые не разрушаются под воздействием трехточечного изгиба, испытывают на четырех точечный изгиб –методики различаются характером maх напряжений соосно волокам образца: при трехточечном изгибе maх осевые напряжения возникают по центру под нагружающим пуансоном, а при четырех точечном – между нагружающими пуансонами. Прочностные характеристики при изгибе изменяются в зависимости от скорости деформации, внешних условий (температуры, влажности и пр.), толщины образца.
В случае применения опор и пуансонов, отличных от нормативных, они должны иметь min радиус 3,2 мм для всех образцов. Для образцов большей толщины радиус опор подбирают с увеличением его в 1,6 раза. Максимальный радиус пуансона не должен превышать ширину образца ≤ 4 раза. Случайные данные не учитываются, но выясняют причину их появления, но испытания проводят повторно.
Изгиб (ꞷ мм), вызывающий деформацию внешней поверхности на 0,05 мм/мм, вычисляют:
где εmax – максимальная деформация на внешней поверхности образца, равная 0,05 мм/мм
Прочность под воздействием изгибающего момента (σви) при стандартном расстоянии между опорами рассчитывается:
где Fmax – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца, H;
L – пролет между опорами, мм;
b – ширина образца. мм;
h – толщина образца, мм.
В случае расстояния между опорами опор ≥16h используют формулу:
Деформацию Ɛmax на внешней поверхности испытуемой детали рассчитывают по формуле:
Модуль упругости поперечного прогиба Епи (МПа) рассчитывают:
где m – тангенс угла наклона касательной к первоначальному линейному участку диаграммы деформирования образца к оси деформации.
Значения прочности композитов при изгибающей нагрузке
Значение модуля упругости
На начальной стадии испытания имеет место явление, при котором график зависимости деформация : напряжение (отрезок АС) не отражает истинных характеристик материала, что связывают с его просадкой. Для получения достоверных значений сдвига пластической деформации и модуля деформации, данный эффект компенсируется выставлением нулевой точки на осях деформации/ расширения:
График зависимости деформации от напряжения для материала с участком линейной упругости
Продление прямой CD строится через точку В – из скорректированной точки нулевой деформации, с которой должно начинаться определение всех расширений или деформаций. При отсутствии линейной области недопустимо использовать касательную в точке перегиба для определения точки сдвига, так как будет получен недостоверный результат. В этом случае коррекция производится посредством построения касательной к max градиенту в месте излома Н', которая продлевается до новой точки нулевой деформации (В'), с помощью которой для получения секущего модуля (наклон участка В'G') напряжение в любой точке G' на кривой нужно разделить на деформацию в этой точке:
Материал с отсутствием линейно-упругой области
У оборудования, испытывающего композиты на изгиб, расстояние между опорами, местоположение нагружающих валиков не должно меняться. В формулах расчета напряжений, модуля и деформации подставляют значения измеренного, а не теоретического расстояния между опорами с учетом допустимой погрешности. Для получения достоверного результата требуется отметить точные линию или центр опоры, где осуществляется их полный контакт с поверхностью образца, затем штангенциркулем с острыми усиками замеряют расстояние между центрами опор.
Маркировки на фиксированных опорах
Маркировки на подвижных опорах
Для обеспечения фиксированного расстояния между опорами и заданного положения нагружающего валика применяют стандартные шаблоны для каждой настройки:
Процесс испытания
Испытание начинают с приведения в движение пуансона в поперечном направлении, фиксируют поперечное смещение и значения нагрузки, которые увеличивают до максимальной. Скорость определения кривой соответствия – ≤ 2 мм/мин. Универсальная испытательная машина должна прекращение движения пуансона при достижении 90 % мощности датчиков тензометра, чтобы их не повредить. Пуансон останавливают, разгружают стальной стержень. Зависимость изгиба от нагрузки фиксируют с момента касания образца валиком до достижения максимальной заданной нагрузки. Для определения модуля Юнга (которому соответствуют самые крутые участки кривой) выбирают диапазон ниже предела пропорциональности. Для секущих и модулей хорды его подбирают на заданном уровне деформации.
Для измерения смещений:
В Протокол испытаний вносят:
- материал, схема укладки;
- производитель, номер партии, параметры изготовления образца;
- тип, маркировка, размеры, число образцов;
- параметры кондиционирования, параметры среды;
- измерительные средства, испытательные устройства, их номер, класс точности;
- класс точности экстензометра, датчика силы (способ измерений изгиба и нагрузки);
- скорость приложения нагрузки;
- расстояние между опорами;
- значения измеренных параметров для каждого образца;
- если образец не разрушился - значение нагрузки при 5 % деформации;
- любые отклонения параметров испытаний;
- дату проведения испытаний, ФИО и должность испытателя, ссылку на стандарт;
- деформационные диаграммы и фото разрушенных образцов.
Для проведения испытаний слоистых композиционных материалов на 3-х точечный изгиб требует применение сертифицированного и надежного оборудования: мы можем предложить вам универсальные испытательные машины серии МИМ, гидравлические испытательные прессы; тензометры и тензодатчики.