Особенности квазистатических испытаний нитей и тканей
Автор: Лобанов Дмитрий Сергеевич, Темерова Мария Сергеевна
Статья в выпуске: 2, 2013 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена анализу методических вопросов механических испытаний нитей и тканей, которые являются армирующими элементами при создании композиционных материалов. Представлены методики проведения статических испытаний на растяжение кремнеземной ткани КТ-11-ТОА и стеклянных нитей с определением механических свойств. На образцах ткани определено значение максимальной разрушающей нагрузки, проведен статистический анализ, посчитан коэффициент вариации, построены диаграммы деформирования. На образцах стеклянных нитей получены значения максимальной нагрузки, максимальной удельной нагрузки, упругого модуля и относительного удлинения при разрыве. Построены диаграммы деформирования, проведена статистическая обработка по 60 образцам и получены средние значения механических характеристик и коэффициенты вариации. Испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5965 с использованием бесконтактного видеоэкстензометра AVE.
Испытание на растяжение, экспериментальная механика, армирующий элемент, стеклянная нить, кремнеземная ткань
Короткий адрес: https://sciup.org/146211482
IDR: 146211482
Текст научной статьи Особенности квазистатических испытаний нитей и тканей
При создании и проектировании изделий из композитов актуальным вопросом является исследование свойств исходных компонентов, в частности армирующих элементов, обеспечивающих качество создаваемого материала [1-2].
В данной работе объектами исследования являются кремнеземная стеклянная ткань КТ 11 ТОА и стеклянные нити, которые используются для создания композитов и конструкций из них. Кремнеземные ткани изготавливаются из суровых тканей, выработанных из стеклянных комплексных крученых нитей переплетением сатин 8/3 или полотняным переплетением. Для получения ткани КТ 11 ТОА производится кислотная обработка, термическая обработка и аппретирование суровых тканей. Аппретирование осуществляется водным раствором продукта АГМ-9 или АДЭ-3.
Цель работы - отработка методик экспериментального определения механических свойств нитей и тканей как армирующих элементов композиционных материалов.
1. Оборудование
Экспериментальные исследования проводились на базе Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5965 с использованием бесконтактного видеоэкстензометра Instron AVE [3-4].
Универсальная электромеханическая испытательная система Instron 5965 предназначена для квазистатических испытаний. К основным характеристикам относятся: скорость испытания (варьируется от 0,001 до 3000 мм/мин), допустимая максимальная нагрузка ±5кН. Точность измерения нагрузки составляет 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной мощности датчика нагрузки и 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной мощности датчика нагрузки. Для увеличения точности измерений в данную испытательную систему также включены сменные динамометрические элементы номиналом ±100Н и ±5Н. Общий вид системы Instron 5965 представлен на рис. 1.
Рис. 1. Электромеханическая испытательная система Instron 5965 с бесконтактным видеоэкстензометром AVE Instron
Для бесконтактного измерения деформации существуют различные оптические системы, основанные на определении перемещений точек. Примером такой оптической системы является видеоэкстензометр AVE Instron, который активно используется при испытаниях композиционных материалов с неоднородной структурой (см. рис. 1, слева, на колонне испытательной системы) [5-7].
Принцип работы AVE основан на точном определении меток измерительной базы при помощи цифровой видеокамеры с высоким разрешением. Цифровая камера содержит двумерный видеодатчик. При проведении эксперимента камера постоянно получает изображение испытываемого образца. Скорость оцифровки видеосигнала составляет один кадр информации в 20 мкс, т.е. один раз в 20 мкс в памяти сохраняется и обновляется один кадр информации, выдаваемой камерой. Для установки различных полей зрения, соответствующих удлинению разных образцов, возможна замена объектива камеры. Для AVE допускается использование объективов с полем зрения 60, 200 и 500 мм.
2. Испытание стеклоткани
При проведении испытаний учитывались рекомендации стандарта ГОСТ 6943.10-79, который регламентирует методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве текстильных стеклянных материалов. В то же время можно отметить, что данный стандарт имеет ряд недостатков. При определении удлинения при разрыве не учитывается проскальзывание образца в захватах. Деформация измеряется не на образце, а по перемещению захватов, что значительно снижает точность измерения значения деформации материала. Современное испытательное оборудование позволяет решить данные проблемы.
Во время испытания деформации измерялись на образце при помощи бесконтактного видеоэкстензометра. На образцы наносились специальные метки, перемещения которых отслеживалось и фиксировалось видеоэкстензометром. Для фиксации разрушающей нагрузки использовался датчик с диапазоном измерений до 5 кН. При подготовке образцов в соответствии с ГОСТом количество нитей в образцах контролировалось, и было одинаковым (по основе 22 нити, по утку 20 нитей). Образцы закреплялись пневматическими захватами, при этом ленты в захватных частях обклеивались бумагой для того, чтобы образец не проскальзывал в захватах. Длина поперечных нитей превышала ширину рабочей части образца для того, чтобы продольные нити относительно оси нагружения не сыпались по кромкам и сохраняли целостность образца (рис. 2).
Образцы из стеклоткани вырезались в виде лент, вдоль основы и вдоль утка, длиной 220 мм и шириной 25 мм. Расстояние между захватами составляло 100 мм. Испытания проводились при скорости подвижного
Рис. 2. Образец ленты стеклянного тканого материала, закрепленный пневматическими захватами испытательной системы
захвата 100 мм/мин до полного разрушения образца.
Всего на растяжение было испытано 10 образцов стеклотка- ни, по 5 в каждом направлении. На рис. 3 представлены аппроксимации диаграмм растяжения. Для сравнения на графиках приведены ап- проксимации диаграмм, построенные по видеоэкстензометру и по встроенному датчику перемещений. В табл. 1 приведены полученные в ходе испытания значения максимальной разрушающей нагрузки Р и перемещений (и) - удлинение рабочей части образца.
Рис. 3. Аппроксимации диаграмм деформирования стеклоткани, вырезанной в направлении основы ( а ) и утка ( б) : сплошная линия - линия аппроксимации зависимости нагрузки от перемещения, полученного при помощи бесконтактного видеоэкстензометра, пунктирная линия - линия аппроксимации зависимости нагрузки от перемещения, полученного со встроенного датчика
б
Как видно из рис. 3, диаграммы, построенные по видеоэкстензометру (сплошная линия) и встроенному датчику (пунктирная линия), имеют существенное отличие по значениям удлинения. Аналогичный вопрос исследовался в работе [8]. Начальный участок диаграммы деформирования объясняется не проскальзыванием в захватах, а раскручиванием и выпрямлением нитей, так как удлинение при разрыве измерялось непосредственно на образце при помощи видеоэкстензометра. Данную особенность деформирования тканых материалов следует учитывать при проектировании конструкций и прогнозировании прочностных свойств.
На рис. 4 показан образец стеклоткани до и после испытания на растяжение.
Таблица 1
Результаты испытаний на растяжение образцов стеклоткани в направлении основы и утка
|
Номер образца |
Удлинение при разрыве и (мм)* |
Максимальная разрушающая нагрузка Р (Н) |
Среднее значение максимальной разрушающей нагрузки P^ (н |
Среднеквадратичное отклонение < S > (Н) |
Коэффициент вариации V (%) |
|||||
|
по основе |
по утку |
по основе |
по утку |
по основе |
по утку |
по основе |
по утку |
по основе |
по утку |
|
|
1 |
2,120 |
3,122 |
1262,215 |
1106,256 |
1250,6 |
1015,8 |
29,57 |
50,92 |
2,36 |
5,01 |
|
2 |
1,841 |
3,063 |
1143,453 |
1126,276 |
||||||
|
3 |
2,042 |
2,906 |
1313,366 |
1051,809 |
||||||
|
4 |
1,777 |
2,917 |
1245,957 |
862,116 |
||||||
|
5 |
1,972 |
3,056 |
1264,224 |
934,439 |
||||||
* Значения удлинения при разрыве измерялись на образце бесконтактным видеоэкстензометром AVE.
а
б
Рис. 4. Образец стеклоткани до испытания ( а ) и после испытания с характерным видом разрушения ( б )
3. Испытание стеклянных нитей
При разработке методики испытания стеклянных нитей учитывались рекомендации ГОСТ 6611.2-73, ГОСТ 6943.5-79 и опыт проведения экспериментального исследования механических свойств нитей, опубликованный в работе [9]. Данные стандарты регламентируют методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве нити. Аналогично ГОСТ 6943.10-79 для испытания нитей также не учитывает проскальзывание образца в захватах при определении удлинения. Деформация измеряется не на образце, а по перемещению захватов, что значительно снижает точность измерения значений деформации испытываемого материала. Для фиксации разрушающей нагрузки использовался датчик с диапазоном измерений до 5 кН, для измерения деформаций - объектив с полем зрения 500 мм. Образцы стеклянных
Рис. 5. Образец стеклянной нити,закрепленный пневматическими захватами испытательной системы
нитей закреплялись пневматическими захватами так, чтобы расстояние между метками составляло 100 мм. Захватные части образцов обклеивались бумагой для обеспечения отсутствия проскальзывания в захватах и равномерного обжатия образцов. Испытания проводились при скорости подвижного захвата 10 мм/мин до разрушения. Расчетная линейная плотность стеклянной нити равна 176,5 текс (единица линейной плотности - гр/км). Для измерения деформаций на образце использовался бесконтактный видеоэкстензометр. Внешний вид испытательного оборудования образца стеклянной нити с установленными метками для бесконтактного измерения деформаций представлен на рис. 5.
Результаты испытания стеклянных нитей представлены на рис. 6. В табл. 2 приведены полученные в ходе испытания значения максимальной разрушающей нагрузки, максимальной удельной нагрузки, модуля и относительного удлинения при разрыве для 60 образцов стеклянных нитей.
Рис. 6. Диаграммы деформирования образцов стеклянной нити при испытаниях на одноосное растяжение
Диаграммы деформирования образцов выходят не из нуля, так как перед началом испытания проводилось предварительное нагружение до значения по нагрузке, равное 1 Н, что регламентировано стандартом. Из графика виден достаточно большой статистический разброс по нагрузке и, соответственно, по удельной нагрузке, что необходимо учитывать при расчетах конструкций из композиционных материалов. Важным фактором является масштабный эффект.
Таблица 2
Результаты испытаний на растяжение стеклянных нитей
|
№ п/п |
Максимальная нагрузка Р (Н) |
Максимальная удельная нагрузка Р y (Н/текс) |
Модуль, Е (Н/текс) |
Относительное удлинение при разрыве е (%) |
|
1 |
54,6 |
0,30937 |
27,875 |
1,19 |
|
2 |
60,1 |
0,34028 |
22,5 |
1,56 |
|
3 |
58,53 |
0,33165 |
27,5 |
1,3 |
|
4 |
60,6 |
0,34335 |
31,25 |
1,31 |
|
5 |
56,04 |
0,31756 |
20 |
1,53 |
|
6 |
52,84 |
0,29939 |
23,75 |
1,24 |
|
7 |
58,06 |
0,32897 |
29,375 |
1,24 |
|
8 |
61,84 |
0,35038 |
29,375 |
1,35 |
|
9 |
56,69 |
0,32118 |
33,125 |
1,12 |
|
10 |
56,71 |
0,32131 |
29,375 |
1,22 |
Продолжение табл. 2
|
№ п/п |
Максимальная нагрузка Р (Н) |
Максимальная удельная нагрузка Р y (Н/текс) |
Модуль, Е (Н/текс) |
Относительное удлинение при разрыве е (%) |
|
11 |
54,84 |
0,31074 |
22,5 |
1,36 |
|
12 |
49,98 |
0,28315 |
19,375 |
1,24 |
|
13 |
56,3 |
0,319 |
30,625 |
1,22 |
|
14 |
45,84 |
0,25972 |
25 |
1,03 |
|
15 |
56,61 |
0,32071 |
26,25 |
1,21 |
|
16 |
52,73 |
0,29876 |
30 |
1,38 |
|
17 |
59,78 |
0,33871 |
25 |
1,42 |
|
18 |
59,01 |
0,33436 |
31,25 |
1,24 |
|
19 |
63,2 |
0,35808 |
33,125 |
1,21 |
|
20 |
52,04 |
0,29483 |
27,5 |
1,18 |
|
21 |
59,6 |
0,33767 |
35 |
1,35 |
|
22 |
62,78 |
0,3557 |
27,5 |
1,67 |
|
23 |
68,63 |
0,38885 |
28,125 |
1,51 |
|
24 |
56,8 |
0,32179 |
25 |
1,41 |
|
25 |
62,52 |
0,35421 |
28,75 |
1,47 |
|
26 |
59,18 |
0,33528 |
25 |
1,44 |
|
27 |
57,23 |
0,32426 |
28,75 |
1,37 |
|
28 |
62,22 |
0,35251 |
30 |
1,38 |
|
29 |
59,47 |
0,33692 |
33,125 |
1,22 |
|
30 |
61,75 |
0,34986 |
26,25 |
1,52 |
|
31 |
48,48 |
0,27466 |
25 |
1,15 |
|
32 |
56,6 |
0,32069 |
27,5 |
1,059 |
|
33 |
54,97 |
0,31147 |
27,5 |
1,32 |
|
34 |
59,96 |
0,33974 |
23,75 |
1,68 |
|
35 |
58,97 |
0,3341 |
27,5 |
1,33 |
|
36 |
57,46 |
0,32557 |
26,25 |
1,43 |
|
37 |
59,1 |
0,33484 |
25 |
1,58 |
|
38 |
54,63 |
0,30954 |
27,5 |
1,17 |
|
39 |
45,44 |
0,25745 |
31,25 |
0,65 |
|
40 |
56,51 |
0,32018 |
27,5 |
1,34 |
|
41 |
62,66 |
0,35505 |
28,75 |
1,45 |
|
42 |
58,92 |
0,33384 |
25 |
1,39 |
|
43 |
60,09 |
0,34045 |
26,25 |
1,45 |
|
44 |
61,06 |
0,34596 |
29,375 |
1,48 |
|
45 |
61,64 |
0,34922 |
27,5 |
1,46 |
|
46 |
58,37 |
0,33068 |
30 |
1,28 |
|
47 |
65,46 |
0,3709 |
28,75 |
1,44 |
|
48 |
59,39 |
0,33651 |
26,25 |
1,45 |
Окончание табл. 2
|
№ п/п |
Максимальная нагрузка Р (Н) |
Максимальная удельная нагрузка Р y (Н/текс) |
Модуль, Е (Н/текс) |
Относительное удлинение при разрыве е (%) |
|
49 |
59,94 |
0,33961 |
30 |
1,29 |
|
50 |
59,79 |
0,33877 |
26,25 |
1,63 |
|
51 |
61,85 |
0,35042 |
26,25 |
1,48 |
|
52 |
55,32 |
0,31342 |
31,25 |
1,27 |
|
53 |
61,05 |
0,34592 |
26,25 |
1,51 |
|
54 |
54,48 |
0,30864 |
26,25 |
1,24 |
|
55 |
59,05 |
0,33454 |
30 |
1,47 |
|
56 |
52,77 |
0,29898 |
25 |
1,26 |
|
57 |
58,95 |
0,33402 |
28,75 |
1,34 |
|
58 |
58,03 |
0,32878 |
27,5 |
1,46 |
|
59 |
61,99 |
0,35122 |
22,5 |
1,63 |
|
60 |
54,63 |
0,30951 |
26,875 |
1,08 |
На рис. 7 показан характерный вид разрушения образцов стеклянной нити во время испытаний на одноосное растяжение.
Рис. 7. Разрушенные образцы стеклянной нити с установленными шарообразными метками для бесконтактного измерения деформации на образце
Было испытано 60 образцов стеклянных нитей, статистически достоверно определены упругий модуль Е = (27,496±0,398) Н/текс, максимальная нагрузка Р раз = (57,901±0,553) Н, максимальная удельная нагрузка Р у = (0,328±0,003) Н/текс с доверительной вероятностью 0,95.
Таким образом, были отработаны методики испытаний на растяжение кремнеземной стеклоткани с использованием современного научного оборудования. Были определены механические свойства стеклянных нитей, стеклоткани по основе и по утку. С высокой точностью определена максимальная разрушающая нагрузка, проведен статистический анализ, посчитан коэффициент вариации, построены диаграммы деформирования.
Из испытаний на растяжение армирующих элементов - нитей из стеклоткани - получены значения максимальной нагрузки, максимальной удельной нагрузки, упругого модуля и относительного удлинения при разрыве с измерением деформации на образце при использовании бесконтактного видеоэкстензометра. Построены диаграммы деформирования, проведена статистическая обработка по 60 образцам и получены средние значения механических характеристик и коэффициенты вариации.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-08-31336мол_а, № 13-08-00304 а) и РФФИ-Урал 13-08-96016.
