приводит к изменению механизма раз­

опорной зоне. Важен вопрос выбора ширины образца. Она должна быть достаточной для устранения «эффекта, перерезанных нитей». Далее у образцов из косо-, перекрестно- и ортогональ­ но армированных материалов следует учесть взаимодействие слоев арматуры и особенности напряженного состояния на свободных кромках материала, т. е. кромочный эффект, который заключа­ ется в возникновении около свободных кромок материала межслойных напря­ жений, направление действия и вели­ чина которых зависят от типа уклад­ ки арматуры. Из-за отсутствия воз­

образца.

Новым является и подход к техноло­ гии. Материал и конструкция создают­ ся одновременно; в то же время ком­ позиты крайне чувствительны к сило­ вой и температурной предыстории. Особого внимания требуют технологи­ ческие дефекты, в частности, пори­ стость, искривления и разориентация арматуры. Пористость проявляется при оценке свойств, определяемых поли­ мерной матрицей (например, прочности при сдвиге). Однако не все методы испытаний одинаково чувствительны

квлиянию пористости. Например, при испытаниях однонаправленных уг­ лепластиков наиболее чувствительным

кпористости оказался метод трех­ точечного изгиба, наименее чувстви­ тельным — метод растяжения полосы.

Влияние искривления волокон про­ является при определении характе­ ристики в направлении армирования. При испытаниях кольцевых образцов измеряемый модуль

1

(7.2)

1Г 9

2

где Е0 — модуль упругости материала при растяжении вдоль выпрямленных волокон; Ger — модуль межслойного сдвига; f — параметр, характеризую­

щий искривление армирующих воло­

кон (при искривлении по синусоиде

£

f = stA-j- ; А — амплитуда синусои­

ды; k — число полуволн на базе /). Формула (7.2) учитывает только влияние сдвига. Для материалов, ар­ мированных анизотропными волокна­ ми, следует учесть также модуль упру­

гости Ег:

(7.3)

Даже при малых искривлениях (f2 « « 0,01) модуль упругости E Q и проч­

ность #g у реальных материалов

может быть значительно ниже, чем у материалов с идеально прямыми волокнами. Модуль упругости мате­ риала в направлении, перпендикуляр­

мало зависит от искривленности воло­ кон, так как Ger и Ег — величины одного порядка. Аналогичным обра­ зом можно показать, что модуль сдвига Ggr материала с начальными искрив­

лениями волокон незначительно за­ висит от степени искривления слоев.

Все перечисленные особенности свойств относятся к композитам с во­ локнистой и слоистой структурой. До­ полнительные трудности возникают при испытаниях пространственно-ар­ мированных композитов, у которых поперечная связь обеспечивается жест­ ким каркасом вместо податливой ма­ трицы.

7.2. ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

При выборе формы и способа изготов­ ления образцов ив композитов должны быть правильно смоделированы все

упругих характеристик и исследова­ ния влияния окружающей среды; не­ чувствительность к способу крепления. Удовлетворить всем этим требованиям трудно, поэтому для определения проч­ ности и упругих постоянных приме­ няются образцы разной формы и раз­ меров.

Форма образцов из койиозитов в зна­ чительной степени зависит также от цели испытаний: проверки научных гипотез, технической паспортизации материалов, контроля качества ма­ териалов. Наиболее жесткие требова­ ния предъявляются к образцам второй группы, которым в этой главе уделено особое внимание.

7.3.РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

7.3.1.Растяжение плоских образцов.

Несмотря на аналогию геометрии на­ гружения при растяжении и сжатии плоских образцов из композитов об­ щими в этих методах являются только

расчетные зависимости, естественно, с учетом знака напряжений и дефор­ маций (табл. 7.1), Требования к форме и размерам образцов, способы креп­ ления и нагружения образцов, виды разрушения в обоих случаях суще­ ственно различны. Оба метода стан­ дартизованы ГОСТ 25.601—80; ASTM D 3039—76 (растяжение) и ГОСТ 25.602—80; ASTM D 3410—75 (сжа­ тие). Требования в ASTM и ГОСТе несколько расходятся. Стандарты ASTM распространяются на однона­ правленные и ортогонально армиро­ ванные стекло-, боро- и углепластики; нагружение производится в направле­ ниях главных осей упругой симметрии материала (схема армирования и вза­ имная ориентация осей материала и направления нагрузки ГОСТами не регламентированы). При испытаниях плоских образцов на растяжение или сжатие определяются прочность в осе­ вом направлении Я+(“ }, модуль упру­

гости Е*(шт) и коэффициенты Пуассона v+<-> и v+(- J

По ASTM предусмотрено использо­ вание только образцов в виде полосок, по ГОСТу для определения прочности на растяжение или сжатие, кроме них» допускается также применение

двусторонних лопаток, преимущества которых (в сравнении с образцамиполосками) заключаются в следующем: заданное сечение разрушения, более низкое разрывное усилие (при оди­ наковых размерах поперечного сече­ ния зоны крепления), чем облегчается крепление образца и передача усилий, меньшая чувствительность к неточ­ ностям установки в испытательной машине. Их основные недостатки: не­ однородное напряженное состояние, более трудоемкое изготовление. В от­ дельных случаях применяются образцы с круглым поперечным сечением и трехслойные балки [3].

Образец для испытаний материалов на одноосное растяжение и сжатие имеет функциональные части: две пе­ реходные, две нагрузочные и рабочую. Переходные части служат для погло­ щения возмущений напряженно-дефор­ мированного состояния, связанных с креплением и нагружением образца (краевого эффекта). Нагрузочные ча­ сти служат для крепления образца в испытательной машине, они вос­ принимают и передают рабочей части внешнюю нагрузку. В рабочей части образца производятся измерения де­ формаций и по ее геометрическим размерам этой части и внешней нагруз­ ке подсчитываются напряжения. Раз­ меры рабочей части выбираются с уче­ том следующих требований: в рабочей части должно быть однородное напря­ женное состояние; измеряемые величи­ ны не должны зависеть от размеров поперечного сечения образца; должно быть обеспечено надежное крепление измерительных инструментов.

Для удовлетворения первого требо­ вания общая длина образца при задан­ ной длине мерной базы должна быть выбрана с учетом зоны краевого эф­ фекта. Установлено, что длина зоны краевого эффекта при растяжении за­

висит от отношений упругих постоян-

Р

ных а = ExlEz и Р = -рг2 ----- 2 vzx,

Vxz

от относительных геометрических раз­

! П* Ъ

W > 2 tg (а + ф)

(7.6)

где /* — длина участка образца, вос­ принимающего нормальное давление q\ Л+, П~ — прочность материала об­

разца при осевом растяжении н попе­ речном сжатии соответственно; bt bi — ширина образца в рабочей части и в местах приложения нагрузки соот­ ветственно; h — толщина рабочей ча­ сти образца.

В случае применения двусторонних лопаток скалывание их головок должно быть предотвращено правильным вы­ бором ширины:

нородной по толщине укладкой ар­ матуры.

Условия передачи нагрузки могут быть значительно улучшены при по­ мощи приклеенных к образцу накла­ док. Накладки изготавливаются из материала, модуль упругости кото­ рого значительно меньше, а удлинение при разрыве больше соответствующих характеристик испытываемого мате­ риала. Обычно в качестве материала для накладок применяются стекло­ пластики, а иногда и древесный шпон. Толщина накладок составляет (1,5— 4) А, где h — толщина образца.

Размеры накладок выбираются с та­ ким расчетом, чтобы разрывное уси­ лие, воспринимаемое ими, было больше разрывного усилия рабочей части об­ разца:

(7.7)

где Пхг — сопротивление материала образца межслойному сдвигу; hi — толщина участка образца, восприни­ мающего нормальное давление q.

Продольный профиль двусторонней лопатки должен быть выбран таким, чтобы растягивающая нагрузка пере­ давалась рабочей части без нарушения целостности всего образца. Установле-

водится на основе выбранного кри­ терия прочности. Наиболее эффектив­ ный способ уменьшения сечения рабо­ чей части образца — изменение ши­ рины образца, однако соблюдение ус­ ловий передачи растягивающей на­ грузки в этом случае приводит к слиш­ ком большой длине образца. Поэтому часто применяют двойные лопатки, в которых уменьшение сечения рабо­ чей части образца создается за счет изменения толщины и ширины образ­ ца. Уменьшение толщины рабочей части, т. е. изгибной жесткости об­ разца в плоскости, перпендикулярной к укладке арматуры, предпочтительно и потому, что в этой плоскости неточ­ ность установки образца в захватах испытательной машины и, следова­ тельно, влияние изгиба наибольшее. Однако изменение толщины образца допустимо только для материалов с од­

П+bh < хг^накл^накл*

(7.8)

где IJXZ — меньшая из прочностей при межслойном сдвиге материала на­ кладок, образца или клея, при по­ мощи которого крепятся накладки.

Вид разрушения при растяжении зависит от направления действия внеш­ ней нагрузки относительно армирую­ щих волокон и от типа укладки ар­ матуры. Однонаправленные композиты при нагружении в направлении арми­ рования разрушаются от разрыва ар­ мирующих волокон, что сопровождает­ ся появлением поперечных трещин разрыва и продольных трещин сдвига и расслоением в полимерной матрице. При увеличении угла нагружения к направлению армирующих волокон вид разрушения постепенно меняется от сдвига и скалывания полимерной ма­ трицы параллельно направлению ук­ ладки армирующих волокон до чистого поперечного отрыва в полимерной ма­ трице при нагружении перпендику­ лярно армирующим волокнам. Вид разрушения композитов с симметрич­ ной перекрестной арматурой (угол укладки арматуры к направлению действия нагрузки равен ± 0 ) зависит от угла укладки армирующих волокон. При углах укладки, меньших 30, разрушение материала происходит в результате распространения трещины из-за расслоения матрицы между ар­

мирующими слоями; в этом случав очень важны межслойные напряжения. При углах укладки, больших 60°, трещина распространяется вдоль ар­ мирующих волокон вследствие раз­ рыва полимерной матрицы без пред­ шествующего расслоения. При углах укладки между 30 и 60? наблюдается сочетание описанных видов разруше­ ния.

7.3.2. Сжатие плоских обравцов. При испытаниях на сжатие размеры полосок выбираются с учетом концен­ трации нормальных напряжений оу и касательных тх1/. Минимальное значе­ ние отношения lib зависит от способа нагружения; соответствующие значе­ ния lib для полосы из ортотропного материала приведены в табл. 7.1.

Главная задача, решаемая при сжа­ тии плоских образцов, — выбор спо­ соба приложения нагрузки и обеспе­ чение разрушения образца от сжатия. При нагружении только нормальными усилиями по торцам образца (схема 1—2) практически невозможно обес­ печить полный контакт между опор­ ной поверхностью образца и поверх­ ностью пуансона испытательной ма­ шины, следствием чего является преж­ девременное разрушение образца. При нагружении образца одними лишь ка­ сательными усилиями (схема 1—3 ), как это регламентировано ASTM, пе­ редача сжимающих усилий тоже яв­ ляется несовершенной, особенно в слу­ чае применения плоских клиньев (ASTM предусмотрены конусные за­ жимные патроны). Наиболее рацио­ нальным является комбинированное нагружение — нормальными усилиями по торцам образца и касательными усилиями по боковым граням образца (схема 1—4). При комбинированном нагружении угол наклона клиновид­ ных вкладышей захватов выбирается из условий распределения нагрузки по торцам и боковым граням образца. Экспериментально установлено, что бо­ ковое раздавливание образца исклю­ чено, когда нагрузка по торцам его составляет 45—50% от разрушающей (в случае отсутствия боковой нагруз­ ки). В действующих приспособлениях угол наклона составляет 14—17°. Кон­ цевые части образца защищены на­ кладками.

При сжатии однонаправленных ком­ позитов в направлении армирования наблюдаются три вида разрушения: вы­ пучивание армирующих волокон (ма­ териалы с матрицей из низкомодуль­

выпучивания арматуры (материалы с жесткой матрицей, Ем > 2000-МПа). Материалы, армированные под углом к продольной оси образца, разрушают­ ся от сдвига без смятия по торцам; всю сдвигающую нагрузку при этом воспринимает матрица. Перечисленные основные виды разрушения могут со­ провождаться рядом других явлений: неупругим и нелинейным поведением армирующих волокон и матрицы, рас­ слоением, поверхностным отслоением, общей потерей устойчивости, смятием по торцам, скалыванием по слою. Различное сочетание всех этих явле­ ний может затруднить определение вида разрушения.

Даже в случае отсутствия полного расслоения незаметное глазом выпу­ чивание боковой поверхности образца может привести к заметным погреш­ ностям при измерении деформации. Критическое напряжение, при кото­ ром происходит местная потеря устой­ чивости, сопровождающаяся разрывом связующего,

( 4 У ' ‘ .

(7.9)

Збу

где Х° == я*е ~1* ' ? yA ^bHaH Ра­

бота разрушения по Гриффитсу; I* — длина отслоившегося участка при мест­ ной потере устойчивости.

При испытаниях на сжатие должна быть обеспечена устойчивость самого образца и, особенно, его рабочей части. Для исключения потери устой­ чивости образца в целом применяются

приспособления, в которых поверх­ ности образца касаются призматиче­ ских выступов, которые предотвраща­ ют выпучивание образца, но не стес­ няют деформации в его плоскости. Для исключения потери устойчивости рабочей части ее свободная длина I должна быть меньше критической дли­ ны:

/кр = 0,907А X

(7.10)

где Еп и Gxz —- модули соответственно

и сжатие плоских образцов разрабо­ таны для случая, когда волокна па­ раллельны или перпендикулярны оси образца.

влияние оказывает трение между коль­ цом и полудисками и, главное, около разъема полудисков вследствие изме­ нения радиуса кривизны свободной части образца в нем возникает кон­ центрация напряжений. В тонкостен­ ных кольцах (тонкими являются коль-

центрация радиальных растягивающих напряжений оказывает небольшое

влияние, зато численные значения на­ пряжений межслойного сдвига таг могут превысить предельную для дан­ ного материала величину еще до раз­ рушения образца нормальными окруж­ ными напряжениями 0 9. С увеличением относительной толщины образца hlR, степени анизотропии и величины пре­ дельной деформации материала все эти явления усиливаются. Вследствие концентрации напряжений измеренная при испытаниях колец полудисками прочность оказывается пониженной и может служить только для качествен­

цов. Наиболее распространенные ме­ тоды растяжения кольцевых образцов приведены в табл. 7.2. Широко приме­ няется метод растяжения полудисками (схема 2—У). Меньше распространены методы испытания на растяжение ко­ лец при помощи равномерного вну­ треннего давления, создаваемого по­ датливым кольцом (схема 2—3) или гидравлической системой (схема 2—4).

Метод растяжения колец полудискамн стандартизован (ГОСТ 25.603—82; ASTM D 2290-76).

Растяжение полудисками — метод простой в осуществлении и в обра­ ботке результатов, однако имеет не­ которые существенные недостатки: рас­ пределение деформаций по окружности образца неравномерное *, большое

* Неравномерность распределения де­ формаций оценивается при помощи коэф­ фициента концентрации

Н8в8шах

“ p/2bh “

ложения о поправочных коэффициен­ тах практического применения не нашли.

Попытка смягчить влияние концен­ трации напряжений применением об­ разцов, в которых оба полукольца соединены прямыми и взаимно парал­ лельными участками (схема 2—2), из-за технологических трудностей ока­ зывалась малоэффективной, так же как и попытки применять более слож­ ные многосекторные приспособления ш. в последнем случае сохраняется недопустимо высокая концентрация на­ пряжений и добавляется неравномер­ ность нагружения образца вследствие многосекторности приспособления. При определении модуля упругости измерители деформаций размещаются на участках образца с наиболее рав­ номерным распределением деформа­ ций — примерно под углом 30—45°

определенная на прямом образце; ок -

Растяжение

полуднокамн

Сведения о методах

Определяемые характе­ ристики

КМ испытаний статических Методы

к разъему полудисков. При испыта­ ниях образцов с параллельной сред­ ней частью измерители деформаций размещаются в середине обоих пря­ мых участков образца, где поле де­ формаций однородное.

Концентрация напряжений в образце исключается при испытаниях равно­ мерным внутренним давлением, созда­ ваемым при помощи податливого коль­ ца (схема 2—3) или гидравлической системой (схема 2—4). Основные не­ достатки метода испытаний податли­ вым кольцом — это необходимость предварительной и систематической та­ рировки элемента нагружения и очень тщательной обработки поверхности об­ разца, а метода гидравлических испы­ таний — необходимость использования специального сложного и дорогого обо­ рудования для создания давления.

ном испытательной машины. Преиму­ щества многокулачкового приспособ­ ления: простая (хотя и трудоемкая в изготовлении) конструкция и кор­ ректность эксперимента. Однако даже при высокой точности изготовления приспособления неравномерность об­ жатия кольцевого образца рычагами может достигать 1 0 %; в процессе эксплуатации эта неравномерность воз­ растает, что требует периодической наладки и тарировки приспособления. Мощность многокулачкового приспо­ собления конструктивно ограничена.

При испытаниях колец на сжатие наружным давлением особенно трудно выбрать относительную толщину об­ разца h/Rt при которой можно не учитывать влияния побочных факторов

Сжатие колец в их плоскости осуще­ ствляется наружным давлением; при­ меняемые на практике схемы нагруже­ ния и расчетные зависимости приведе­ ны в табл. 7.3. Испытания колец на сжатие полудисками (схема 3—1) от­ личаются от растяжения полудисками тем, что в этом случае удается умень­ шить влияние концентрации напряже­ ний в образце около разъема полу­ дисков. Наилучшие результаты до­ стигнуты при испытаниях кольцевых образцов в приспособлениях с полуобоймами и замками-решетками, кото­ рые исключают возможность увеличе­ ния горизонтального диаметра образ­ ца. Нагружение наружным давлением при помощи податливого кольца (схе­ ма 3—2) и гидравлической системы (схема 3—3) проводится аналогично испытаниям на растяжение соответ­ ствующими методами. При нагружении образца при помощи податливого коль­ ца последнее для образца является Упругим основанием и в некоторой степени повышает критическое давленНе, при котором образец теряет Устойчивость.

Наружное давление может быть рев­ изовано и при помощи механических приспособлений, нагрузка на образец в которых создается при помощи боль­ шого числа (до 72) одинаковых рыча- г°в (кулачков), которые через нагру- 3°чный плунжер соединены с пуансо­

тропии исследуемого материала £e/Ger при сжатии кольцевых образ­ цов наблюдаются три различных вида исчерпания несущей способности: по­ теря устойчивости (при испытаниях тонкостенных образцов), разрушение собственно от сжатия (кольца средней относительной толщины) и разруше­ ние при двухосном сжатии (толстых колец), при анализе которого следует учитывать не только окружное напря­ жение OQ, но и радиальные напряже­ ния стг.

Критическое давление, при котором наступает потеря устойчивости кольца:

рк р = 1 -f-0,4»* ЫВ (7Л1)

. 3EeJ

где p jp = —ф -----критическое давле­

ние на единицу длины оси кольца, оп­ ределенное без учета сдвигов (/?— сред-

А , Г Е в

ний радиус кольца), к = ~~j£ | / g —.

При нагружении кольца наружным давлением часто не удается правильно оценить прочность при сжатии вслед­ ствие «отщелкивания» внутреннего слоя. «Отщелкивание» и последующая потеря устойчивости внутреннего слоя кольца происходит, когда раз­ ность энергии внутреннего слоя, со­ хранившего кольцевую конфигурацию,

Сжатие полудисками

Сведения о методах

Сжатие наружным давлением, создаваемым

КМ испытаний статических Методы