Стандарт регулирует методику упруго-прочностных испытаний при статической комбинированной сжимающей нагрузке полимерных композитов, армированных рублеными или протяженными волокнами; применим к однонаправленным сбалансированным симметричным материалам.
Сущность метода заключается в установлении базовых физико-механических показателей композиционного материала под воздействием сжимающей нагрузки:
- максимальное напряжение;
- модуль упругости;
- коэффициента Пуассона.
Классификация и технические характеристики
На основании проводимых исследований прогнозируют поведение деталей из композитных материалов в условиях эксплуатации, делая вывод о том, какой именно материал предпочтительнее для выполнения поставленных задач: для аэрокосмических аппаратов это одни композиты, для глубоководных аппаратов – другие:
- Рассматриваемый стандарт предусматривает испытание материалов, имеющих хотя бы один одноосно армированный слой:
Слоистые композиты часто применяют для формования деталей, которые испытывают сжимающие и ударные нагрузки. От того, как себя при этом поведут детали из различных композитов – при простых и комбинированных нагрузках – зависит надежность конструкций и безопасность людей.
Оценить устойчивость элемента конструкции или детали из композита к кратким сильным механическим воздействиям (которым она подвергается при изготовлении, обслуживании и при эксплуатации) можно, подвергая образцы ударным и комбинированным нагрузкам, последние можно подразделить на:
- нагрузки малых скоростей (воздействие на скоростях ниже 10 м/с);
- нагрузки средних скоростей (воздействие на скоростях 10÷50 м/с
- высокоскоростные/баллистические нагрузки (до 1000 м/с)
В целом, особенности дефектов при воздействии баллистических ударов похожи на повреждения при низкоскоростных воздействиях, но последствия для всей конструкции более фатальные (расслоение, шероховатая поверхность, фрагментарное разрушение матрицы и наполнителя). Противодействуют ударным низкоскоростным нагрузкам посредством применения модификаторов матрицы, специфических схем плетения арматуры, обработки волокон.
Качественно повысить вязкость разрушения позволяет применение гибридизированных полимерных конструкционных материалов (ПКМ), например, углестеклопластики. Формирование композитных гибридов обусловлено рядом причин-чаще всего, это необходимость сочетания противоположных свойств в одном материале и его удешевление. Углеродные волокна в данном случае повышают устойчивость деталей при вязкостном разрушении, а стекловолокно позволяет снизить стоимость композита. Выделяют термореактивные и термопластичные полимерные матрицы: первые в процессе формования приобретают прочную жесткую форму, вторые остаются пластичными.
Испытания полимерных композитов
Иногда требуется установление остаточной прочности композита при сжатии после предварительной баллистической (ударной) нагрузки, которое производят в соответствии с требованиями ASTM D 7137. Для получения этих характеристик образцы сначала подвергают удару индентором, вычисляя силу поперечного локального удара:
Копер с падающим грузом: 1-зажимное приспособление; 2-индентор; 3-траверса; 4-фиксирующее устройство; 5-направляющая колонна.
После этого определяют тип повреждения, дважды (по перпендикулярным направлениям) фиксируя глубину образовавшегося углубления, вычисляют среднеарифметическое значение. В завершение после удара измеряют остаточную прочность при сжимающей нагрузке.
В завершение после удара тот же образец испытывают на остаточную прочность, но уже при сжимающей нагрузке, которая растет с заданной скоростью, фиксируют ее предельную величину перед разрушением. Предел прочности при сжатии вычисляют по формуле:
Результаты испытаний образцов ПКМ на сжатие после удара
По полученным данным, предел остаточной прочности после воздействия баллистической нагрузки гораздо ниже базовой прочности композита: поверхность матрицы растрескалась и деформировалась. Приложенная после этого сжимающая нагрузка усилила деформацию, привела к объемному растрескиванию и расслоение матрицы вдоль оси ударной нагрузки (в области удара перпендикулярно приложенной нагрузке) вплоть до разрушения волокон по всей ширине образца.
В соответствии с данной комбинированной методикой наиболее значимым компонентом деструкции при ударе с малыми скоростями является деламинация (расслоение) ПКМ, которое в свою очередь, приводит к падению предела прочности при сжатии и межслоевом сдвиге.
В соответствии с отечественным стандартом ГОСТ Р 56812 испытания также проводят на плоских прямоугольных образцах, но под иным комбинированным сжимающим воздействием– торцевое + напряжение сдвига, строя диаграмму зависимости деформации от нагрузки. Измерения производят с помощью штангенциркуля и микрометра и динамометрическим ключом с калиброванными крутящими моментами.
Исследования производятся на сертифицированных испытательных машинах с линейным равномерным перемещением траверсов, используя специальную термокриокамеру (с заданными температурой и влажностью) для испытаний в нестандартной атмосфере. Контроль температуры осуществляется посредством установления на поверхности образца плотно прилегающей термопары. Испытательная машина дополняется оснасткой, гарантирующей устойчивость и соосность комбинированной сжимающей нагрузки:
1-направляющие центрирующие стержни; 2-образец; 3-зажимные болты; 4-углубление для датчика деформации; 5-место установки датчика деформации. Схема приспособления и приложения нагрузки для испытания на сжатие с приложением комбинированной нагрузки на образец.
Параметры локальной деформации измеряются тензометрами. Для композитов с тканой арматурой шаг решетки тензометра должен превышать размер структурной единицы наполнителя, а также при нестандартных атмосферных условиях должно учесть температурное восполнение тензометра.
Для проведения комплексных испытаний при сжатии композитных материалов готовят образцы следующего вида и размеров:
Длина L = 140 мм, ширина b = 12÷30 мм, рабочая часть образца (расстояние между накладками) ly = 13 мм. Рекомендуемая толщина образца h =2 ÷ 3 мм, все эти значения заносят в протокол. Минимальную толщину вычисляют по формуле:
Для надежной фиксации образцов в захватах применяют определенные накладки, которые изготавливаются и крепятся определенным образом, указанном в технической документации.
Образцы должны быть гладкими, без деформаций и сколов поверхность без вздутий и других дефектов.
Образцы приготавливают или вырезают определенным образом, обеспечивая нужную точность геометрических размеров. Для каждого испытания необходимо не менее 5 образцов для каждого режима. Отклонения фиксируются в протоколе.
При сжатии тензометрами производят замеры деформации (продольной и поперечной), прикрепляя их под наклоном 0° и 90°. Параметры изгиба замеряют тензометрами на двух поверхностях образца, ориентированных перпендикулярно и соосно нагрузке.
Положительный или отрицательный знак параметра характеризует направление изгиба.
Перед испытаниями образцы выдерживают 88 часов при стандартных значениях температуры и влажности. Длину, толщину и ширину рабочей зоны образца трижды измеряют, вычисляя среднеарифметическое и вносят в протокол.
В нижнюю часть оснастки устанавливают центрирующую планку, помещают и фиксируют образец. Затем фиксируют верхнюю часть с тензодатчиками.
Скорость сжатия задают так чтобы, чтобы одно испытание длилось 1 ÷ 10 минут (1,3 ±0,1 мм/мин), фиксируют максимальное значение давления, классифицируя характер и тип разрушения. Закрепленной изолированной термопарой контролируют температуру, фиксируя в протоколе достижение заданного значения.
Прочность при сжимающей нагрузке σCB>, МПа, вычисляют:
Модуль упругости (по секущей) Ec (Гпа) при сжимающей нагрузке (в диапазоне деформаций 0,1 % ÷ 0,3 % – для хрупких и пластичных материалов – ≤ 0,6%). рассчитывают:
К-т Пуассона vc при сжимающей нагрузке находят на линейном участке в начале диаграммы напряжение - деформация и вычисляют:
Результат испытаний
Класс и код разрушений сличают с рисунком и данными таблицы, внося в протокол:
Полученные данные подвергают статистической обработке, не принимая в расчет результаты, выходящие за границы доверительного интервала (доверительная вероятность P=0,95).
Среднеарифметическое X параллельных определений:
Среднеквадратичное отклонение результатов испытанийSn-1 рассчитывают:
Коэффициент вариации CV (%) вычисляют:
Протокол испытаний
Все полученные, вычисленные и контрольные данные вносят в протокол испытаний:
В протокол можно добавить изображение дефектной зоны и иные данные. Вносимая в протокол испытаний информация должна воспроизводиться и повторяться, а также быть достоверной.
В целом, охарактеризовать поведение композитов при комплексном сжатии можно следующим образом:
- Образец слоистого КМ в процессе комплексного статического сжатия пропорционально нагрузке теряет жесткость;
- Зона нестабильности под влиянием сжатия расползается шире, чем при растяжении и пропорциональна приложенной нагрузке;
- На прочностные качества композитов влияет наличие дефектов: например, у наполненных волокнами образцов образуются полосы перегиба, которые становятся концентраторами напряжений;
- Ориентация волокон влияет на прочностные показатели композитов: композит с волокнами, ориентированными поперек сжатия, подвержен в большей степени расслаиванию; а с волокнами, параллельными нагрузке – к распространению сдвига;
- под действием статической растягивающей/ сжимающей нагрузки уменьшение модуля упругости композита является маркером роста зоны нестабильности и уменьшения индекса динамической неустойчивости;
- Статическое сжатие и возникающие при этом изгибающее напряжение увеличивают области нестабильности и повышает индекс динамической неустойчивости; статическое растяжение приводит к обратному эффекту.
В настоящее время вопросы надежности и прочности композитных материалов стоят необыкновенно остро, и наиболее актуальны задачи:
- исследование закономерностей, анализ причин и механизмов зарождения и развития дефектов; разрушения полимерных композиционных материалов при комплексных нагрузках в разных температурных условиях;
- формирование базы данных поведения КМ в условиях комбинированных статических, циклических, и низко скоростных баллистических нагрузок;
- алгоритмы интерпретации новых экспериментальных данных при различных комплексах параллельных и последовательных нагрузок.
Применение все более современных методик изучения поведения композитных материалов под воздействием комплексных воздействий вызвано изобретением новых образцов испытательного оборудования, что вкупе с новейшим программным обеспечением позволяет реализовывать разнообразные параметры комплексных воздействий (с обратной связью гидравлические и электромеханические системы) в условиях сочетаний динамических, статических, циклических вариаций нагружения.
При изучении прочностных характеристик композитных материалов при комплексной сжимающей нагрузке вам понадобятся универсальные испытательные машины МИМ, климатическое оборудование (муфельные печи или криокамеры), тензометры, копры МИК.