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
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)