Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах
Автор: Лобанов Дмитрий Сергеевич, Бабушкин Андрей Викторович
Статья в выпуске: 4, 2012 года.
Бесплатный доступ
Предложенная методика испытаний однонаправленных композиционных материалов на одноосное растяжение при пониженных температурах позволяет определять предел прочности однонаправленных композиционных материалов при нормальных и пониженных температурах. Проведено опробование методики при пониженных температурах 0 °С и –30 °С. В ходе проведения экспериментальных исследований все образцы разрушались в рабочей части, что позволило получить предел прочности и модуль упругости однонаправленного стеклопластика с содержанием волокна 70 %. Построены диаграммы нагружения и деформирования. Полученные результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о приемлемости данной методики при испытаниях однонаправленных композиционных материалов на одноосное растяжение при нормальных и пониженных температурах. Даны рекомендации по испытанию однонаправленных композиционных материалов при повышенных температурах.
Методики испытаний, однонаправленные композиционные материалы, испытание на растяжение, экспериментальная механика, пониженные температуры
Короткий адрес: https://sciup.org/146211446
IDR: 146211446 | УДК: 620.172
Technique of unidirectional composite materials at low temperatures tensile tests
The technique of unidirectional composite materials at low temperatures uniaxial tension tests. This method allows determining the tensile strength of unidirectional composite materials under normal and low temperatures. The approbation technique at low temperature of 0 °C and –30 °C. During the research all tests specimens were destroyed in the «work area», which allowed for the tensile strength and modulus of unidirectional glass fiber with 70 %. The diagrams of loading and deformation. The obtained experimental results suggest the acceptability of this method for testing of unidirectional composite materials uniaxial tension at normal and low temperatures. Recommendations of unidirectional composite materials at high temperatures test.
Текст научной статьи Методика испытаний на одноосное растяжение однонаправленных композиционных материалов при пониженных температурах
В настоящее время полимерные волокнистые композиционные материалы (ПВКМ) широко применяются в различных отраслях. Для рационального использования ПВКМ необходимо всестороннее исследование механических свойств, в том числе в условиях рабочих температур эксплуатации. Изделия из ПВКМ обладают рядом неоспоримых преимуществ, таких как небольшой вес, обусловленный небольшой плотностью материала, не высокая цена производства; легкость и простота перевозки. Наряду с преимуществами также существует и ряд недостатков. Эти недостатки связаны с изготовлением, механической обработкой, эксплуатацией и прежде всего с исследованием механических свойств ПВКМ и конструкций из них [1]. Таким образом, исследование механических характеристик ПВКМ и проблема определения зависимостей механических характеристик композиционных материалов от температуры является актуальной задачей [2].
Целью данной работы являлись доработка и опробование методики механических испытаний образцов однонаправленного стеклопластика, описанной в [3, 4], с максимально высоким реализуемым наполнением хрупкими высокомодульными волокнами на одноосное растяжение при нормальных и пониженных температурах. Объектом исследования являлся однонаправленный стеклопластик Direct "E" Roving 0,7 - ortophtalic polyester resin 0,3 с 70%-ным содержанием армирующего элемента.
Повышенное содержание объемной доли волокна приводит к увеличению прочности материала вдоль направления армирования и к резкому уменьшению прочности в поперечном направлении армирования. Также особенностью является существование материала в виде первичного элемента конструкции - однонаправленной ленты поперечным размером 40x5 мм с периферийной обсыпкой кварцевым песком. Использование стандартных методов для определения механических характеристик не всегда возможно. В таких случаях исследователи пользуются специально разработанными методиками [3-7].
Для учета перечисленных особенностей была спроектирована и изготовлена специальная захватная часть. Образец стеклопластика выполняется в виде стержня постоянного сечения. Захватные части имеют форму стальной гильзы (рис. 1, а), один конец которой закрепляется в захватах испытательной машины, а в другом выполняется глубокое конусное отверстие для погружения в него стеклопластикового образца. Закрепление стеклопластикового образца в конусном отверстии стальной гильзы производится посредством эпоксидного клея, без поперечного обжатия. Степень прочности такого захвата определяется свойствами связующего, глубиной погружения и углом конуса. Вклеивание стержней в гильзы производилось при помощи эпоксидного клея с увеличенной долей отвердителя, а также нанесением меток на рабочую часть образца при помощи маркера для использования бесконтактного оптического экстензометра (рис. 1, б).
Рис. 1. Эскиз захватной части ( а ) и внешний вид образца высоконаполненного стеклопластика для проведения испытаний на одноосное растяжение с нанесенными метками для возможности использования бесконтактного видеоэкстензометра ( б)
Испытания однонаправленного стеклопластика при растяжении вдоль направления армирования в условиях комнатной и пониженных температур проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5882. В качестве измерителя деформаций использовался бесконтактный видеоэкстензометр Instron AVE. Необходимость при- менения оптического экстензометра AVE или иного бесконтактного экстензометра обусловлена характером разрушения образцов данного материала. Пониженные температуры достигались в термокамере при помощи жидкого азота [7]. Использование термокамеры дает возможность проведения режима термостатирования и самого испытания при действии выбранной температуры. Режим термостатирования включал в себя линейное охлаждение образцов и всей нагружающей цепи до выбранных отрицательных температур со скоростью 5°С/мин и выдержку в течение 2 часов, из расчета 20 минут на миллиметр толщины. При испытаниях осевое нагружение осуществлялось со скоростью перемещения траверсы 5 мм/мин.
Типовые диаграммы деформирования однонаправленного стеклопластика из испытаний на растяжение при 0 °C и -30 °C представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Типовая диаграмма деформирования однонаправленного стеклопластика при пониженной температуре 0 °C
Всего было испытано 8 образцов однонаправленного высокона-полненного стеклопластика Direct "E" Roving 0,7- ortophtalic polyester resin 0,3 на одноосное растяжение вдоль направления армирования при пониженных температурах: 4 образца при температуре -30 °C и 4 образца при температуре 0 °C. Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах -30 °C и 0 °C приведены в таблице.
Рис. 3. Типовая диаграмма деформирования однонаправленного стеклопластика при пониженной температуре -30 °C
Результаты испытаний однонаправленного стеклопластика на растяжение при пониженных температурах
|
Номер обр. |
Т, °C |
Максимальная нагрузка при разрыве P max , кН |
Предел прочности при разрыве оВ, МПа |
Модуль Юнга при растяжении Е , ГПа |
Предел прочности при разрыве ов с доверительной вероятностью 0,95, МПа |
Модуль Юнга при растяжении Е с доверительной вероятностью 0,95, ГПа |
|
1 |
–30 |
24,992 |
695,968 |
35,8 |
922,11±91,54 |
34,15±2,54 |
|
2 |
30,321 |
1144,191 |
40,1 |
|||
|
3 |
31,376 |
917,524 |
32,6 |
|||
|
4 |
22,338 |
930,753 |
28,1 |
|||
|
1 |
0 |
36,135 |
1021,355 |
39,3 |
980,223±21,58 |
36,83±2,38 |
|
2 |
33,942 |
959,369 |
35,5 |
|||
|
3 |
24,008 |
1010,441 |
41,7 |
|||
|
4 |
29,872 |
929,727 |
30,8 |
|||
|
* |
22 |
– |
– |
– |
987,14±164,58 |
47,80±2,68 |
Примечание : средние значения предела прочности и модуля Юнга при температуре 22 °C получены в [3] по 12 образцам и приведены для сравнения.
Для образцов, испытанных при пониженных температурах, статистически достоверно определены модуль Юнга и предел прочности. Все испытываемые на одноосное растяжение образцы однонаправленного стеклопластика Direct "E" Roving 0,7- ortophtalic polyester resin 0,3 при пониженных температурах -30 °C и 0 °C разрушились (рис. 4) в рабочей зоне, что свидетельствует о справедливости мнения о дора- ботке специальных захватных частей, предложенных в работах [3, 4]. Такой вид разрушения происходит от разрыва и отслоения волокон при полном разрушении матрицы [8].
В качестве рекомендаций для проведения испытаний в условиях повышенных температур вместо эпоксидного клея предлагается использовать промышленный клей марки К 300-61 с рабочим диапазоном температур от -60 °C до +300 °C либо клей марки ВК-9 с рабочим диапазоном температур от -60 °C до +250 °C.
Рис. 4. Вид разрушенных образцов однонаправленного стеклопластика после испытания на одноосное растяжение при пониженных температурах
Таким образом, экспериментальное исследование показало, что данная методика проведения испытаний на одноосное растяжение в условиях пониженных температур позволяет определять механические характеристики однонаправленных композиционных материалов при разрушении образцов в рабочей части.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №12-08-31336мол_а)
