Лабораторна робота 6 Дослідження анізотропії механічних характеристик композитів при згині

Мета роботи

Досліджувати залежність модуля пружності і межі міцності симетрично армованого композиційного матеріалу від кута армування при вигині.

Короткі теоретичні відомості

При „чистому” згині подовжня вісь балки згинається по колу радіусу R, і відносне подовження поверхневого шара зразка товщиною  визначається по формулі:

. (1)

Напруги в поверхневому шарі:

, (2)

де М_Z – згинаючий момент;

J_Z – осьовий момент інерції перетину зразка.

Тоді модуль згину пружності матеріалу зразків може бути визначений із закону Гука по формулі:

. (3)

Для однорідних по висоті перетину балки матеріалів значення згинаючого модуля пружності і модуля пружності при розтягуванні (модуля Юнга) співпадають. Тому цей метод може бути використаний для оцінки пружних характеристик матеріалів.

При вигині зразка половина поперечного перетину знаходиться в стані стиснення, а друга половина – в стані розтягування. Максимальні напруги виникають в найбільш видалених від осі z шарах матеріалу зразка. При відомих значеннях міцності матеріалу у напрямі армування міцність зразків може бути розрахована по наступних формулах: при розтягуванні –

; (4)

при стисненні –

. (5)

З аналізу отриманих значень меж міцності на розтягування і стиснення можна зробити висновок про те, з якої сторони зразка почнеться процес руйнування.

Методика експериментального дослідження

Методика заснована на випробуванні симетрично-армованої балки прямокутного поперечного перетину з композиційного матеріалу по схемі чотирьохточкового вигину, що дозволяє створити в середній частині зразка на довжині – „а” напружено-деформований стан, відповідний чистому вигину (рис. 1).

Рис. 1. Схема навантаження зразка

Радіус кривизни пружної лінії балки R при відомій величині щонайбільшого прогинання у₀ посередині ділянки „а” можна визначити з прямокутного трикутника ABC по формулі:

,

звідки

. (6)

Враховуючи, що величина згинаючого моменту M_Z = P₀с, а осьовий момент інерції зразка прямокутного поперечного перетину , напруги в поверхневому шарі і згинаючий модуль пружності матеріалу зразка визначаться з формул (2) і (3) таким чином:

, (7)

. (8)

Параметри Р₀ і у₀ визначаються з експерименту.

Зразки і пристосування для проведення досліджень

В роботі використовуються зразки у вигляді балки прямокутного перетину з симетрично-армованого щодо подовжньої осі композиційного матеріалу, наприклад, склопластика. Армуюче скловолокно розташовується під кутом ± і мають паспортні характеристики: модуль пружності Е_В = 65000 МПа, межа міцності на розтяг = 1400 МПа, межа міцності на стиск = 1100 МПа. Матричний матеріал – полімерне зв'язуюче гарячого затвердіння на основі епоксидної смоли ЕД-22 і затвердителя триетаноламіна (ТЕА). Паспортні характеристики епоксидного зв'язуючого: модуль пружності Е_М = 3000 МПа, межа міцності на розтяг = 40 МПа, межа міцності на стиск = 100 МПа. Об'ємна частка волокна в матеріалі  = 0,5. Зразки виготовляються методом пресування і затвердівають по стандартному технологічному режиму. Геометричні параметри зразка показані на рис. 2.

Рис. 2. Зразок для випробувань

При випробуваннях зразки встановлюються у випробувальному пристосуванні, схема якого показана на мал. 3. Вимір деформацій виробляється за допомогою стрілочного індикатора годиникового типу.

Рис. 3. Пристосування для випробування зразків

Порядок виконання роботи

1. Визначити геометричні характеристики зразків, для чого в п'яти перетинах по довжині виміряти ширину „b” і товщину „” кожного з випробовуваних зразків з точністю ±0,05 мм.

2. Встановити зразок в пристосуванні по схемі (рис. 3) і виміряти відстані „а” і „с”.

3. Встановити індикатор переміщень так, щоб ніжка його торкалася зразка, і нульове значення шкали сумістити із стрілкою.

4. Вручну навантажити зразок зусиллям Р₀, при якому прогинання досягне заданої величини у₀.

5. Зняти індикатор переміщень, і поволі збільшувати зусилля до руйнування зразка. Зафіксувати зусилля, при якому на одній з поверхонь зразка з'являться видимі порушення суцільності матеріалу.

6. Дані експерименту по п.п. 3 – 4 занести в табл. 1.

7. Повторити п.п. 2 – 6 для зразків 2 – 5.

Обробка результатів випробувань

1. Обчислити середнє значення ширини і товщини по формулах:

, .

2. Визначити осьові моменти інерції поперечного перетину кожного із зразків композиту по формулі:

.

3. Визначити межі міцності матеріалу кожного із зразків по формулі (7):

.

4. Пo формулі (8) визначити експериментальне значення

.

5. В системі координатних осей  –  і  – Е побудувати графіки теоретичної залежності по формулах (4) і (5) і .

6. Нанести на графіки експериментально отримані значення міцності і модуля пружності від кута армування.

Таблиця 1 Дані дослідів і результати розрахунків

Параметр	Номер зразка
	1	2	3	4	5
Кут армування 	0	15	30	45	60
b, мм
, мм
а, мм
с, мм
JZ, мм4
У0, мм
Р0, Н
РР, Н
, МПа
Р, МПа

Контрольні питання:

1. Що таке анізотропія міцності композиту?

2. Яка з схем навантаження зразка на згин – по трьох точках або чотирьом – дозволить з більшою точністю визначити згинаючий модуль матеріалу зразка з композиту?

3. Де знаходиться найбільш небезпечний перетин по довжині зразка при навантаженні його на вигин по чотирьохточковій схемі

4. Які гіпотези використані при висновку розрахункових формул для визначення меж міцності композиту при розтягуванні і стиску?

5. Який з компонентів руйнується першим, волокно або матриця? Чим пояснюється спостережуваний характер руйнування?