Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

стоит из заданий № 1, 2, 3, 4, выполняемых на одном оборудовании.

Приспособления, инструмент, материалы: испытатель-

ный стенд ИКМ-010-4ЛР; образцы композиционных материалов с углами вырезки 0°, 15°, 30°, 45° и с ориентацией волокон [0; 90°].

Конструкция стенда ИКМ-010-4ЛР представлена на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид стенда ИКМ-010-4ЛР для испытания композитных материалов: 1 - основание с опорами для установки стенда на горизонтальную поверхность; 2 - прижимная пластина; 3 - винты; 4 - изучаемая пластина со смонтированными на ней акселерометром; 5 - вилочная часть; 6 - плата АЦП-ЦАП L-card E-154; 7 - USB разъем; 8 - розеточный разъем; 9 - розеточная часть разъема для подключения образца.

Теоретические сведения

Волокнистые композиционные материалы

У волокнистых композитов матрица, чаще всего, пластичная, армирована высокопрочными волокнами, проволокой или нитевидными кристаллами. В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.

21

Податливая матрица, заполняющая волокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела "матрица–волокно". Механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе"матрица–волокно". Соотношение

этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором - ис ходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей прочную связь между компонентами при сохранении первоначальных свойств.

Особенности волокнистой композиционной структуры заключаются в распределении высокопрочных волокон в пластичной матрице (содержание их может достигать75 %). Другая особенность волокнистой композиционной структуры обусловлена преимущественным расположением волокон.

Армирующие волокна

Теоретическая прочность материаловσм возрастает с увеличение модуля упругости Е и поверхностной энергии γ вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными

плоскостями. Таким образом, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модуль упругости и поверхностной энергии и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяет бор, бериллий, углерод, алюминий, кремний, азот и кислород. При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные органические волокна, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов. В состав приведенных материалов волокон входят элементы, имеющие высокую теоретическую прочность.

Механические свойства высокопрочных материалов обычных протяженных тел определяются наличием поверхностных дефектов (подрезов, трещин и т. п.). Около вершин этих дефектов при нагрузке концентрируются напряжения, которые зависят

22

от приложенного усилия, глубины трещины и радиуса кривизны в вершине трещины. Существует критическая длина трещины, при которой проявляется тенденция к ее неограниченному росту, приводящая к разрушению материала.

Важен тот факт, что соответствующее критическое напряжение зависит от абсолютного размера трещины и оно тем выше, чем меньше длина трещины. Из хрупких веществ материалы с высокой воспроизводимой прочностью можно получать в основном в виде волокон. Это обусловлено тем, что волокна намного меньше чувствительны к имеющимся в них дефектам, чем монолитные изделия. Из-за геометрии волокна трещины в них должны быть либо короткими, либо они должны быть преимущественно параллельны продольной оси волокна, т. е. почти безопасными. Любые поверхностные повреждения ведут к падению прочности волокон, например, волокна нельзя свивать в канат, т. к. трение в волокнах каната при навивке их приводит к повреждениюпо верхностного слоя волокна и к выходу его из строя. Поэтому для получения прочного изделия необходимо использовать среду, которая защищала бы поверхность волокон и связывала ихво едино. Такой средой может быть полимерный материал или пластичный металл. Когда используются короткие волокна(прерывистые), сохраняется принцип волокнистого армирования, состоящий в том, что при нагружении композита на разделе матрицы с волокном возникают касательные напряжения, которые вызывают полное нагружение волокон.

Применяют в основном три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна. Нитевидные кристаллы (усы) рассматривают как наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Металлическая проволока из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускает промышленность в больших количествах, и в связи с более низкой стоимостью она широко применяется в качестве арматуры, особенно для композитных материалов на металлической основе. Неорганические и поликристаллические волокна имеют малую плотность, высокую прочность и химическую

23

стойкость. Широко применяют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пластмасс и металлов. Армирующие волокна, применяемые в конструкционных композитах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований.

К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости, высокой температуре плавления, минимальной растворимости в материале матрицы и т.д.

Задание 1. Определить модуль упругости композиционных материалов с углами вырезки0°, 15°, 30°, 45° и с ориентацией волокон [0; 90°]; экспериментально зарегистрировать осциллограмму ускорений точки колеблющейся пластины; определить зависимость периода колебаний от угла вырезки пластины из листа с ориентацией волокон[0; 90°]; рассчитать продольный модуль упругости в направлении вырезки0°, 15°, 30°, 45° и с ориентацией волокон [0; 90°].

Порядок выполнения работы

1.Включить ПЭВМ, дождаться загрузки операционной

системы.

2.Запустить программу «ИКМ измерения».

3.Установить образец вырезанный под углом 0° (рис. 7), в устройство зажима, затянуть винты 3 с помощью ключа. Осуществлять зажим разрешается только путем вращения ключа за короткий рычаг (длинная часть ключа должна быть вставлена в винт). Подключить вилку разъема 8 к розеточной части 9.

4.Дождаться затуханий колебаний в образце.

5.Нажать кнопку «Сбор за 20 сек», подождать 3-4 с, после чего отклонить верхний край образца на3-5 мм от положения равновесия и отпустить его.

6.Дождаться затухания колебаний и нажать кнопку«Остановить», либо дождаться автоматической остановки записи -ос циллограммы через 20 с.

24

7. С помощью двойных нажатий левой кнопки манипулятора типа «мышь» выбрать границы участка без колебаний, нажать кнопку «Балансировка», осциллограмма при этом будет отцентрирована по вертикали.

8. С помощью двойных нажатий левой кнопки манипулятора типа «мышь» выбрать участок с затухающими колебаниями, границы которогоc соответствуют изменению амплитуд колебаний от 40 до 20 м/ , нажать кнопку «Вычислить».

9.Записать полученные результаты в табл. 3.

10.С помощью двойных нажатий левой кнопки манипуля-

тора типа «мышь» выбрать участок с колебаниями, границы которогоc соответствуют изменению амплитуд колебаний от20 до 10 м/ , нажать кнопку «Вычислить».

11.Записать полученные результаты в табл. 3.

12.Сохранить осциллограмму в виде табличных данных и графика на жестком диске ПЭВМ.

13.Отключить вилку от розеточной части 9. Ослабить винты 3 и вытащить образец.

14.Повторить действия по п. 4-14 для образцов с углами вырезки 15°, 30° и 45°.

15.Закрыть программу «ИКМ измерения».

16.Выключить ПЭВМ.

где Е - модуль продольной упругости; J - момент инерции сечения; - плотность материала балки; t - толщина балки; b - ширина балки; L - длина балки от заделки∙ .

Момент инерции сечения= 12 ,

25

Частота колебаний f=1/T, где T - период колебаний. Тогда модуль упругости может быть выражен∙ через геометрические параметры образца и период=следующим38,33 ∙ ∙образом:

Размеры рабочей части образцов: L = 260 мм, b = 50 мм,

1.Заполнить табл. 3 с результатами измерений

2.По данным табл. 3 рассчитать значения продольного модуля упругости. Построить график зависимости модуля упругости в направлении вырезки. Представить осциллограмму ускорений.

3.Сделать выводы о зависимости продольного модуля упругости от угла вырезки образца.

Задание 2. Определить зависимость рассеяния от угла образца из композиционных материалов; экспериментально зарегистрировать осциллограмму ускорений точки колеблющейся пластины; определить зависимость логарифмического декремента колебаний от угла вырезки пластины из листа с ориентацией волокон [0; 90 °]; рассчитать коэффициент рассеяния.

26

Формулы для расчетов

Коэффициентом рассеяния энергии называют относительное рассеяние энергии в материале за один период колебаний. Поскольку для упругих линейных систем с малым демпфированием полная энергия системы пропорциональна квадрату амплитуды колебаний= 2 × . , то коэффициент рассеяния может быть вычислен как удвоенный логарифмический декремент колебаний т.е.

Порядок выполнения работы

Задание 2 выполняется по схеме задания 1, полученные результаты заносятся в табл. 4.

Таблица 4

Содержание отчета

1.Заполнить табл. 4 с результатами испытаний.

2.По данным табл. 4 рассчитать значения коэффициента рассеяния. Построить график зависимости коэффициента рассеяния от угла вырезки.

3.Сделать выводы о зависимости коэффициента от угла вырезки образца.

Задание 3. Определить влияние жесткости заделки образца на собственную частоту колебаний и коэффициент затухания; экспериментально зарегистрировать осциллограмму ускорений точки колеблющейся пластины (место крепления датчика акселерометра); определить зависимость частоты и коэффициента зату-

27

хания колебаний от наличия упругой прокладки в устройстве зажима.

Порядок выполнения работы

Задание 3 выполняется по схеме задания 1, после выполнения 12 пункта выполняется следующий шаг: ослабить винты 3, вытащить образец и установить его в устройство зажима через упругую прокладку, охватывающую обе стороны образца и его нижнюю кромку. Полученные результаты занести в табл. 5.

Формулы для расчетов

Коэффициентом затухания называют величину обратную времени, за которое амплитуда колебаний ве раз. Коэффициент

Образец без прокладки

80-40

40-20

20-10

10-5

Образец с упругой прокладкой

80-40

40-20

20-10

10-5

Содержание отчета

1.Внести в табл. 5 результаты измерений.

2.По данным табл. 5 рассчитать значения частот колеба-

ний.

28

3.Привести полученную осциллограмму результатов испы-

таний.

4.Сделать выводы о зависимости частоты колебаний и декремента колебаний от наличия упругой прокладки для -раз личных амплитуд колебаний.

Задание 4. Определить влияние нанесения упруговязких покрытий на собственную частоту и коэффициент затухания собственных колебаний балки; экспериментально зарегистрировать осциллограмму ускорений точки колеблющейся пластины; определить зависимость частоты и коэффициента затухания колебаний от наличия упруговязкого слоя, наклеенного на образец.

Порядок выполнения работы

Задание 4 выполняется по схеме задания 1, после выполнения 12 пункта выполняется следующий шаг: ослабить винты 3, вытащить образец и установить его в устройство зажима через прокладку с упруговязким слоем. Произвести зажим путем вращения ключа за короткий рычаг. Подключить вилку разъема 8 к розеточной части 9. Полученные результаты занести в табл. 6.

Таблица 6

Результаты испытаний

29

Содержание отчета

1.По данным табл. 6 рассчитать значения частот колебаний.

2.Представить результаты осциллограммы.

3.Сделать выводы о зависимости частоты колебаний и декремента колебаний от наличия упруговязкого слоя для различных амплитуд колебаний.

Контрольные вопросы

1.Какими бывают типы композиционных материалов и их свойства?

2.Какого типа наполнители используют при получении армированных полимерных композиционных материалов?

3.Какие типы связующих используют при получении -ар мированных полимерных композиционных материалов?

4.Какие наиболее востребованные области применения полимерных композиционных материалов?

Лабораторная работа № 5.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПЫТИНИЯХ НА СЖАТИЕ

Цель работы: определить характеристики композиционных материалов при испытаниях на сжатие в условиях нормальной температуры; по результатам экспериментов установить значения предела прочности σ(МПа), модуля упругости Е (МПа) и относительной деформации ε(%) испытанных материалов.

Приспособления, инструмент, материалы: испытатель-

ная машина Р 50, штангенциркуль, материалы для исследования, тензорезисторы. В качестве регистрирующей аппаратуры применяют осциллографы, измерители статических деформаций типа

30